Astronomia

I pianeti Trappist-1 sono abbastanza vicini da essere riscaldati dalle maree?

I pianeti Trappist-1 sono abbastanza vicini da essere riscaldati dalle maree?

Secondo il comunicato stampa della NASA, i pianeti trappisti sono abbastanza vicini (solo pochi milioni di chilometri) che "le forze di marea tra i pianeti non sono trascurabili". L'oratore afferma che ciò potrebbe causare maree oceaniche sui pianeti. Sono abbastanza vicini da consentire alle forze di marea di riscaldare l'interno dei pianeti?


Questa è una domanda complicata che richiederebbe davvero una simulazione fisica completa e una migliore conoscenza del sistema per rispondere con precisione. Ma proviamo un po' indietro dei calcoli della busta per vedere cosa otteniamo.

Calcolo delle forze di marea da TRAPPIST-1c su TRAPPIST-1b

Ho intenzione di calcolare gli effetti di marea di TRAPPIST-1c su TRAPPIST-1b (semplicemente perché, a priori, sembra probabile che questo sia il punto in cui verrà indotto il riscaldamento di marea più forte). Vedere la figura seguente che descrive i parametri.

La forza di marea di 1c su 1b è definita come la forza di gravità differenziale su 1b, cioè la differenza della forza di gravità sul lato di 1b rivolto verso 1c e la forza di gravità sul lato di 1b rivolto lontano da 1c . Matematicamente, otteniamo.

$$F_{tide,cb} = F_{g,-R_b} - F_{g,+R_b} = frac{GM_bM_c}{(D-R_b)^2} - frac{GM_bM_c}{(D+R_b )^2} = 4GM_bM_cfrac{DR_b}{(D^2-R_b^2)^2}$$

Possiamo presumere che $R_b << D$ (in questo caso $R_b/D = 1\%$) e ridurlo a

$$F_{marea,c-b}(D) circa 4GM_bM_cfrac{R_b}{D^3}$$

Ma questo non è sufficiente per determinare la quantità di riscaldamento delle maree che potrebbe verificarsi. Il riscaldamento delle maree si verifica solo quando la forza di marea i cambiamenti. È questa forza di marea in costante cambiamento che provoca la flessione mareale del pianeta e quindi la creazione di calore attraverso l'attrito della marea. Fortunatamente, per questi due pianeti, la forza di marea cambierà poiché $D$ cambierà costantemente. Quindi calcoliamo $F_{tide}$ per i due estremi in cui questi pianeti sono il più vicino e il più lontano possibile e li distinguiamo.

$$Delta F_{tide,c-b} = F_{tide}(0.004:mathrm{AU}) - F_{tide}(0.026:mathrm{AU})$$

Se inserisco i numeri in questo, trovo che

$$Delta F_{tide,c-b} circa 3,7 imes10^{20}:mathrm{N}$$

Ok, ma cosa ci facciamo con questo numero? È in qualche modo una metrica del cambiamento nella forzatura delle maree che 1c impartisce a 1b, ma è trascurabile? Per determinarlo, dobbiamo confrontarlo con qualcosa. Confrontiamo questo con il forzante di marea che TRAPPIST-1b riceverebbe dalla stella.

Calcolo delle forze di marea da TRAPPIST-1 su TRAPPIST-1b

Ho già impostato i calcoli, quindi non abbiamo bisogno di ripassarli di nuovo. Ma prima, lasciatemi discutere da dove viene effettivamente questa forzatura delle maree. Citando un articolo di space.com, l'autore del documento, Gillon, afferma:

Poiché i sette mondi alieni orbitano così strettamente, probabilmente sono tutti in ordine di marea, ha detto Gillon. Cioè, probabilmente mostrano sempre la stessa faccia alla loro stella ospite, proprio come la luna della Terra mostra solo il "lato vicino" a noi.

Come ho detto sopra, l'unico modo per produrre il riscaldamento delle maree è avere forze di marea mutevoli. Questi pianeti sono probabilmente sincronizzati e presentano sempre lo stesso lato della stella. È marginalmente possibile che questi pianeti non siano perfettamente bloccati in base alle maree, ma piuttosto abbiano una risonanza di spin-orbita più elevata. Cioè, la loro risonanza dell'orbita di rotazione potrebbe non essere 1:1 (come sarebbe se fossero bloccati in base alle maree) ma invece potrebbe essere qualcosa come 3:2 (che è ciò che ha Mercurio). Ignorerò questa complicazione e assumerò solo una risonanza 1:1. Quindi, se sono bloccati dalla marea, non possono sperimentare diverse forze di marea attraverso la propria rotazione. Invece, la forzatura mareale differenziale deriva dall'ellitticità dell'orbita. A volte il pianeta sarà più vicino ea volte più lontano, causando una forza di marea differenziale su TRAPPIST-1b dalla stella mentre orbita. Questo è esattamente ciò che accade nel riscaldamento delle maree di Io. Calcoliamo $Delta F_{tide,*-b}$ usando le distanze variabili che TRAPPIST-1b avrà dalla stella. Ho scoperto che TRAPPIST-1b orbiterà tra $ 0,0101:mathrm{AU}$ e $ 0,0119:mathrm{AU}$1. Ciò significa che la forza di marea differenziale è:

$$Delta F_{tide,*-b} circa 4GM_bM_*R_bleft(frac{1}{(0.0119:mathrm{AU})^3} - frac{1}{(0.0101: mathrm{AU})^3} ight) = 1,8 imes10^{23}:mathrm{N}$$

Il riscaldamento delle maree planetarie non è trascurabile?

Il retro dei calcoli dell'inviluppo mostra che la forza di marea differenziale su TRAPPIST-1b da TRAPPIST-1c è circa $ 0,2\%$ della forza di marea differenziale dovuta alla stella. Se consideri questo trascurabile o meno dipende da te. Personalmente lo considererei un effetto piuttosto piccolo e direi che la maggior parte del riscaldamento delle maree sperimentato da questi pianeti proviene dalla stella stessa.

Il riscaldamento mareale interplanetario potrebbe ancora contribuire al riscaldamento mareale dei pianeti abbastanza da riscaldare l'interno?

Questa è una domanda straordinariamente difficile a cui rispondere e non posso nemmeno fare un calcolo a ritroso senza fare ipotesi selvagge e ingiustificabili. I calcoli precedenti hanno semplicemente determinato la variazione massima della forza di marea nel tempo. Tuttavia, questo non ci dice nulla su quanto riscaldamento di marea possa indurre. Ciò richiede di conoscere di più il pianeta stesso, in particolare i numeri d'Amore del pianeta che definiscono la rigidità del corpo e quindi quanto sia facile allungarsi tramite le forze di marea differenziali. Puoi variare la forzatura delle maree quanto vuoi, ma se il tuo pianeta è di ferro puro (e quindi molto rigido) è improbabile che tu abbia tanto effetto come se fosse principalmente silicato (e quindi molto meno rigido). Il documento produce il grafico sottostante che definisce i potenziali costituenti di ciascun pianeta. Questo sarebbe un primo passo per determinare le rigidità del pianeta, ma come puoi vedere dalle barre di errore, sarebbe altamente incerto.

Nel complesso, e questo è interamente basato sull'opinione e dai miei calcoli sopra, ma direi che le possibilità che il riscaldamento delle maree interplanetarie abbia effetti significativi sul calore interno di questi pianeti sono trascurabili. Molto probabilmente il più grande fattore che contribuisce è il decadimento radioattivo, seguito dal riscaldamento mareale della stella (ma questo è amplificato dalle orbite eccentriche indotte dalle perturbazioni gravitazionali planetarie)


1 Si noti che questo calcolo implica l'utilizzo dell'eccentricità e che la carta fornisce solo un limite superiore. Queste distanze rappresentano quindi anche un limite superiore e anche la risposta finale sarà un limite superiore. Potrebbe essere meno.

Valori utilizzati nei calcoli:

  • $G = 6,67 imes10^{-11}:mathrm{m^3 kg^{-1} s^{-2}}$
  • $M_b = 5,075 imes10^{24}:mathrm{kg}$
  • $M_c = 8,239 imes10^{24}:mathrm{kg}$
  • $M_* = 1,604 imes10^{29}:mathrm{kg}$
  • $R_b = 7,34 imes10^{6}:mathrm{m}$

Ciò che ha spinto il commento che "le forze di marea tra i pianeti non sono trascurabili" sono state le lune di Giove. Le tre lune galileiane più interne di Giove, Io, Europa e Ganimede, sono in risonanza orbitale 4:2:1. Io non mostrerebbe alcun riscaldamento di marea se la sua orbita fosse circolare.

L'orbita di Io non è circolare, grazie a quelle risonanze orbitali. Una delle conseguenze di queste risonanze è che Europa e Ganimede agiscono per tirare fuori l'orbita di Io; cioè più ellittica. La natura ellittica dell'orbita di Io provoca sollecitazioni di marea variabili nel tempo su Io, il che rende Io geologicamente attivo. Queste sollecitazioni di marea di Giove a loro volta agiscono per circolarizzare l'orbita di Io.

Le sollecitazioni di marea diventano meno gravi man mano che l'orbita di Io si avvicina a quella circolare. Io si raffredda, determinando un aumento del suo fattore di qualificazione delle maree Q. Questo lo rende meno suscettibile a un'ulteriore circolarizzazione. Le forze in competizione di Europa e Ganimede possono quindi rendere l'orbita di Io più eccentrica. Gli stress di marea alla fine entrano di nuovo in gioco, riscaldando Io e riducendo il suo fattore di qualità della marea. Ora Giove è l'autista. Questo crea un ciclo di isteresi piuttosto carino.


Ciò che ha spinto a commentare che i pianeti TRAPPIST-1 potrebbero essere soggetti al riscaldamento delle maree è che alcuni di quei pianeti sembrano essere in risonanza orbitale, con periodi molto vicini a piccoli multipli interi l'uno dell'altro.


I mondi di TRAPPIST-1 devono sopportare particelle formidabili e un forte riscaldamento delle maree

Dalla sua scoperta nel 2016, gli scienziati planetari sono stati entusiasti di TRAPPIST-1, un sistema in cui sette pianeti rocciosi delle dimensioni della Terra orbitano attorno a una stella fredda. Tre dei pianeti si trovano nella zona abitabile, una regione dello spazio in cui l'acqua liquida può fluire sulle superfici dei pianeti. Ma due nuovi studi condotti da scienziati del Lunar and Planetary Laboratory dell'Università dell'Arizona potrebbero portare gli astronomi a ridefinire la zona abitabile per TRAPPIST-1.

I tre pianeti nella zona abitabile stanno probabilmente affrontando un formidabile avversario della vita: particelle ad alta energia emesse dalla stella. Per la prima volta, Federico Fraschetti e un team di scienziati del Centro di Astrofisica | Harvard e Smithsonian hanno calcolato la forza con cui queste particelle colpiscono i pianeti.

Nel frattempo, Hamish Hay, uno studente laureato presso il Lunar and Planetary Laboratory, ha scoperto che il tiro alla fune gravitazionale che i pianeti TRAPPIST-1 stanno giocando tra loro sta sollevando maree sulle loro superfici, forse guidando l'attività vulcanica o riscaldando i ghiacci. oceani isolati su pianeti altrimenti troppo freddi per sostenere la vita.

Sia l'articolo di Fraschetti che lo studio di Hay, "Tides between TRAPPIST-1 planets", sono stati recentemente pubblicati nel Giornale Astrofisico .

La stella del sistema, TRAPPIST-1A, è più piccola, meno massiccia e 3.300 gradi Celsius (6.000 gradi Fahrenheit) più fredda del nostro Sole a 5.500 gradi Celsius (10.000 gradi Fahrenheit). È anche estremamente attivo, il che significa che emette enormi quantità di protoni ad alta energia, le stesse particelle che causano le aurore sulla Terra.

Fraschetti e il suo team hanno simulato i viaggi di queste particelle ad alta energia attraverso il campo magnetico della stella. Hanno scoperto che il quarto pianeta, il più interno dei mondi all'interno della zona abitabile di TRAPPIST-1, potrebbe subire un potente bombardamento di protoni.

“Il flusso di queste particelle nel sistema TRAPPIST-1 può essere fino a un milione di volte superiore al flusso di particelle sulla Terra,” Fraschetti.

Questa è stata una sorpresa per gli scienziati, anche se i pianeti sono molto più vicini alla loro stella di quanto la Terra sia al Sole. Le particelle ad alta energia vengono trasportate nello spazio lungo i campi magnetici e il campo magnetico di TRAPPIST-1A è strettamente avvolto attorno alla stella.

"Ci si aspetta che le particelle rimangano intrappolate in queste linee di campo magnetico strettamente avvolte, ma se si introduce turbolenza, possono sfuggire, spostandosi perpendicolarmente al campo stellare medio", afferma Fraschetti.

I brillamenti sulla superficie della stella causano turbolenze nel campo magnetico, consentendo ai protoni di allontanarsi dalla stella. Dove vanno le particelle dipende da come il campo magnetico della stella è inclinato rispetto al suo asse di rotazione. Nel sistema TRAPPIST-1, l'allineamento più probabile di questo campo porterà protoni energetici direttamente sulla faccia del quarto pianeta, dove potrebbero rompere molecole complesse necessarie per costruire la vita - o forse potrebbero servire da catalizzatori per la creazione di queste molecole.

Mentre il campo magnetico terrestre protegge la maggior parte del pianeta dai protoni energetici emessi dal nostro Sole, un campo abbastanza forte da deviare i protoni di TRAPPIST-1 dovrebbe essere incredibilmente forte, centinaia di volte più potente di quello terrestre. Ma questo non significa necessariamente morte per la vita nel sistema TRAPPIST-1.

I pianeti TRAPPIST-1 sono probabilmente bloccati in base alle maree, per prima cosa, il che significa che lo stesso emisfero di ogni pianeta è sempre rivolto verso la stella, mentre la notte perpetua avvolge l'altro.

L'illustrazione di questo artista mostra come sarebbe il sistema TRAPPIST-1 dal pianeta TRAPPIST-1f. Credito immagine: NASA/JPL-Caltech

"Forse il lato notturno è ancora abbastanza caldo per la vita e non viene bombardato dalle radiazioni", afferma Benjamin Rackham, un ricercatore associato del Dipartimento di Astronomia dell'UA che non è stato coinvolto in nessuno dei due studi.

Gli oceani potrebbero anche proteggersi dai protoni distruttivi ad alta energia, poiché l'acqua profonda potrebbe assorbire le particelle prima che distruggano i mattoni della vita. Le maree sollevate in questi oceani e persino nelle rocce dei pianeti potrebbero avere altre interessanti implicazioni per la vita.

Sulla Terra, la luna solleva le maree non solo negli oceani: le forze di marea deformano anche la forma sferica del mantello e della crosta terrestre. Nel sistema TRAPPIST-1, i pianeti sono così vicini che gli scienziati hanno ipotizzato che i mondi potrebbero sollevare maree l'uno sull'altro, come la luna fa sulla Terra.

"Quando un pianeta o una luna si deformano a causa delle maree, l'attrito al suo interno crea riscaldamento", afferma Hay, autore principale del secondo studio.

Calcolando come la gravità dei pianeti di TRAPPIST-1 si attrae e si deforma a vicenda, Hay ha esplorato la quantità di calore che le maree portano al sistema.

TRAPPIST-1 è l'unico sistema conosciuto in cui i pianeti possono sollevare maree significative l'uno sull'altro perché i mondi sono così strettamente ammassati attorno alla loro stella.

“È un processo così unico a cui nessuno ha mai pensato in dettaglio prima, ed è piuttosto sorprendente che sia effettivamente una cosa che accade,” Hay. In passato, gli scienziati avevano considerato solo le maree sollevate dalla stella.

Hay ha scoperto che i due pianeti interni del sistema si avvicinano abbastanza da sollevare potenti maree l'uno sull'altro. È possibile che il successivo riscaldamento delle maree sia abbastanza forte da alimentare l'attività vulcanica, che a sua volta può sostenere le atmosfere. Sebbene i pianeti più interni di TRAPPIST-1 siano probabilmente troppo caldi sul lato diurno per sostenere la vita, un'atmosfera alimentata da un vulcano potrebbe aiutare a spostare un po' di calore nel lato notturno altrimenti troppo freddo, riscaldandolo abbastanza da impedire agli esseri viventi di congelarsi.

Il sesto pianeta del sistema, chiamato TRAPPIST-1g, sta subendo strattoni di marea sia dalla stella che dagli altri pianeti. È l'unico pianeta del sistema in cui il riscaldamento delle maree dovuto agli altri pianeti è forte quanto quello causato dalla stella centrale. Se TRAPPIST-1g è un mondo oceanico, come Europa o Encelado nel nostro Sistema Solare, il riscaldamento delle maree potrebbe mantenere calde le sue acque.

I sistemi stellari M-nane come TRAPPIST-1 offrono agli astronomi la migliore opportunità per cercare la vita al di fuori del Sistema Solare, e gli studi di Fraschetti e Hay possono aiutare gli scienziati a scegliere come esplorare il sistema in futuro.

"Dobbiamo capire veramente l'idoneità di questi sistemi per la vita, e i flussi energetici di particelle e il riscaldamento delle maree sono fattori importanti per limitare la nostra capacità di farlo", ha detto Rackham.

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Particelle potenti e maree che tirano possono influenzare la vita extraterrestre

Dalla sua scoperta nel 2016, gli scienziati planetari sono stati entusiasti di TRAPPIST-1, un sistema in cui sette pianeti rocciosi delle dimensioni della Terra orbitano attorno a una stella fredda. Tre dei pianeti si trovano nella zona abitabile, la regione dello spazio in cui l'acqua liquida può fluire sulla superficie dei pianeti. Ma due nuovi studi condotti da scienziati del Lunar and Planetary Laboratory dell'Università dell'Arizona potrebbero portare gli astronomi a ridefinire la zona abitabile per TRAPPIST-1.

I tre pianeti nella zona abitabile stanno probabilmente affrontando un formidabile avversario della vita: particelle ad alta energia emesse dalla stella. Per la prima volta, Federico Fraschetti e un team di scienziati del Centro di Astrofisica | Harvard e Smithsonian hanno calcolato la forza con cui queste particelle colpiscono i pianeti.

Nel frattempo, Hamish Hay, uno studente laureato presso il Lunar and Planatary Laboratory, ha scoperto che il tiro alla fune gravitazionale che i pianeti TRAPPIST-1 stanno giocando tra loro sta sollevando maree sulle loro superfici, forse guidando l'attività vulcanica o riscaldando il ghiaccio. oceani isolati su pianeti altrimenti troppo freddi per sostenere la vita.

Sia l'articolo di Fraschetti che lo studio di Hay, "Tides between TRAPPIST-1 planets", sono stati recentemente pubblicati nel Giornale Astrofisico.

La stella del sistema, TRAPPIST-1A, è più piccola, meno massiccia e di 6.000 gradi Fahrenheit più fredda del nostro sole di 10.000 gradi. È anche estremamente attivo, il che significa che emette enormi quantità di protoni ad alta energia, le stesse particelle che causano le aurore sulla Terra.

Fraschetti e il suo team hanno simulato i viaggi di queste particelle ad alta energia attraverso il campo magnetico della stella. Hanno scoperto che il quarto pianeta, il più interno dei mondi all'interno della zona abitabile di TRAPPIST-1, potrebbe subire un potente bombardamento di protoni.

"Il flusso di queste particelle nel sistema TRAPPIST-1 può essere fino a 1 milione di volte superiore al flusso di particelle sulla Terra", ha detto Fraschetti.

Questa è stata una sorpresa per gli scienziati, anche se i pianeti sono molto più vicini alla loro stella di quanto la Terra sia al sole. Le particelle ad alta energia vengono trasportate nello spazio lungo i campi magnetici e il campo magnetico di TRAPPIST-1A è strettamente avvolto attorno alla stella.

"Ci si aspetta che le particelle rimangano intrappolate in queste linee di campo magnetico strettamente avvolte, ma se si introduce turbolenza, possono sfuggire, spostandosi perpendicolarmente al campo stellare medio", ha detto Fraschetti.

I brillamenti sulla superficie della stella causano turbolenze nel campo magnetico, consentendo ai protoni di allontanarsi dalla stella. Dove vanno le particelle dipende da come il campo magnetico della stella è inclinato rispetto al suo asse di rotazione. Nel sistema TRAPPIST-1, l'allineamento più probabile di questo campo porterà protoni energetici direttamente sulla faccia del quarto pianeta, dove potrebbero rompere molecole complesse necessarie per costruire la vita - o forse potrebbero fungere da catalizzatori per la creazione di queste molecole.

Mentre il campo magnetico terrestre protegge la maggior parte del pianeta dai protoni energetici emessi dal nostro sole, un campo abbastanza forte da deviare i protoni di TRAPPIST-1 dovrebbe essere incredibilmente forte, centinaia di volte più potente di quello terrestre. Ma questo non significa necessariamente morte per la vita nel sistema TRAPPIST-1.

I pianeti TRAPPIST-1 sono probabilmente bloccati in base alle maree, per prima cosa, il che significa che lo stesso emisfero di ogni pianeta è sempre rivolto verso la stella, mentre la notte perpetua avvolge l'altro.

"Forse il lato notturno è ancora abbastanza caldo per la vita, e non viene bombardato dalle radiazioni", ha detto Benjamin Rackham, un ricercatore associato con il Dipartimento di Astronomia dell'UA che non è stato coinvolto in nessuno dei due studi.

Gli oceani potrebbero anche proteggersi dai protoni distruttivi ad alta energia, poiché l'acqua profonda potrebbe assorbire le particelle prima che distruggano i mattoni della vita. Le maree sollevate in questi oceani e persino nelle rocce dei pianeti potrebbero avere altre interessanti implicazioni per la vita.

Sulla Terra, la luna solleva le maree non solo negli oceani: le forze di marea deformano anche la forma sferica del mantello e della crosta terrestre. Nel sistema TRAPPIST-1, i pianeti sono così vicini che gli scienziati hanno ipotizzato che i mondi potrebbero sollevare maree l'uno sull'altro, come la luna fa sulla Terra.

"Quando un pianeta o una luna si deformano a causa delle maree, l'attrito al suo interno creerà riscaldamento", ha affermato Hay, autore principale del secondo studio.

Calcolando come la gravità dei pianeti di TRAPPIST-1 si attrae e si deforma a vicenda, Hay ha esplorato la quantità di calore che le maree portano al sistema.

TRAPPIST-1 è l'unico sistema conosciuto in cui i pianeti possono sollevare maree significative l'uno sull'altro perché i mondi sono così strettamente ammassati attorno alla loro stella.

"È un processo così unico a cui nessuno ha mai pensato in dettaglio prima, ed è piuttosto sorprendente che sia effettivamente una cosa che accade", ha detto Hay. In passato, gli scienziati avevano considerato solo le maree sollevate dalla stella.

Hay ha scoperto che i due pianeti interni del sistema si avvicinano abbastanza da sollevare potenti maree l'uno sull'altro. È possibile che il successivo riscaldamento delle maree sia abbastanza forte da alimentare l'attività vulcanica, che a sua volta può sostenere le atmosfere. Sebbene i pianeti più interni di TRAPPIST-1 siano probabilmente troppo caldi sul lato diurno per sostenere la vita, un'atmosfera alimentata da un vulcano potrebbe aiutare a spostare un po' di calore verso il lato notturno altrimenti troppo freddo, riscaldandolo abbastanza da impedire agli esseri viventi di congelarsi.

Il sesto pianeta del sistema, chiamato TRAPPIST-1g, sta subendo strattoni di marea sia dalla stella che dagli altri pianeti. È l'unico pianeta del sistema in cui il riscaldamento delle maree dovuto agli altri pianeti è forte quanto quello causato dalla stella centrale. Se TRAPPIST-1g è un mondo oceanico, come Europa o Encelado nel nostro sistema solare, il riscaldamento delle maree potrebbe mantenere calde le sue acque.

I sistemi stellari M-nane come TRAPPIST-1 offrono agli astronomi la migliore opportunità per cercare la vita al di fuori del sistema solare e gli studi di Fraschetti e Hay possono aiutare gli scienziati a scegliere come esplorare il sistema in futuro.

"Dobbiamo capire davvero l'idoneità di questi sistemi per la vita, e i flussi energetici di particelle e il riscaldamento delle maree sono fattori importanti per limitare la nostra capacità di farlo", ha detto Rackham.

Riferimenti: Fraschetti et al., Particelle energetiche stellari nelle zone abitabili magneticamente turbolente di sistemi planetari simili a TRAPPIST-1, Giornale Astrofisico, pubblicato il 18 marzo 2019. 10.3847/1538-4357/ab05e4

Hamish C. F. C. Hay e Isamu Matsuyama, Maree tra i pianeti TRAPPIST-1, Giornale Astrofisico, pubblicato il 9 aprile 2019. DOI: 10.3847/1538-4357/ab0c21

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Gli scienziati scoprono pianeti potenzialmente abitabili

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C'è vita oltre il nostro sistema solare? Se c'è, la nostra migliore scommessa per trovarlo potrebbe trovarsi in tre esopianeti vicini, simili alla Terra.

Per la prima volta, un team internazionale di astronomi del MIT, dell'Università di Liegi in Belgio e altrove ha rilevato tre pianeti in orbita attorno a una stella nana ultrafredda, a soli 40 anni luce dalla Terra. Le dimensioni e le temperature di questi mondi sono paragonabili a quelle della Terra e di Venere, e sono i migliori bersagli trovati finora per la ricerca della vita al di fuori del sistema solare. I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Natura.

Gli scienziati hanno scoperto i pianeti utilizzando TRAPPIST (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope), un telescopio di 60 centimetri gestito dall'Università di Liegi, con sede in Cile. TRAPPIST è progettato per concentrarsi su 60 stelle nane vicine, stelle molto piccole e fredde, così deboli da essere invisibili ai telescopi ottici. Scienziati belgi hanno progettato TRAPPIST per monitorare le stelle nane a lunghezze d'onda infrarosse e cercare i pianeti intorno a loro.

Il team ha focalizzato il telescopio sulla stella nana ultrafredda, 2MASS J23062928-0502285, ora nota come TRAPPIST-1, una stella delle dimensioni di Giove che è un ottavo delle dimensioni del nostro sole e significativamente più fredda. Per diversi mesi a partire da settembre 2015, gli scienziati hanno osservato che il segnale infrarosso della stella svanisce leggermente a intervalli regolari, suggerendo che diversi oggetti stavano passando davanti alla stella.

Con ulteriori osservazioni, il team ha confermato che gli oggetti erano davvero pianeti, con dimensioni simili alla Terra e a Venere. I due pianeti più interni orbitano attorno alla stella in 1,5 e 2,4 giorni, sebbene ricevano rispettivamente solo quattro e due volte la quantità di radiazioni che la Terra riceve dal sole. Il terzo pianeta potrebbe orbitare attorno alla stella in un periodo compreso tra quattro e 73 giorni e potrebbe ricevere anche meno radiazioni della Terra. Date le loro dimensioni e la vicinanza alla loro stella ultrafredda, tutti e tre i pianeti potrebbero avere regioni con temperature ben al di sotto dei 400 kelvin, entro un intervallo adatto a sostenere l'acqua liquida e la vita.

Poiché il sistema si trova a soli 40 anni luce dalla Terra, il coautore Julien de Wit, postdoc presso il Dipartimento di Scienze della Terra, dell'atmosfera e dei pianeti, afferma che gli scienziati saranno presto in grado di studiare le composizioni atmosferiche dei pianeti, oltre a valutare la loro abitabilità e se la vita esiste effettivamente all'interno di questo sistema planetario.

"Questi pianeti sono così vicini, e la loro stella così piccola, che possiamo studiare la loro atmosfera e composizione, e più avanti lungo la strada, che è all'interno della nostra generazione, valutare se sono effettivamente abitati", dice de Wit. “Tutte queste cose sono realizzabili e a portata di mano ora. Questo è un jackpot per il campo".

Un rischio, pagato

Per la maggior parte, le missioni esoplanetarie di oggi si sono concentrate sulla ricerca di sistemi attorno a stelle luminose simili al sole. Queste stelle emettono radiazioni nella banda visibile, il più delle volte a lunghezze d'onda gialle, e possono essere viste con i telescopi ottici. Tuttavia, poiché queste stelle sono così luminose, la loro luce può sopraffare qualsiasi segnale proveniente da un pianeta.

Le stelle nane fredde, al contrario, sono stelle deboli che emettono radiazioni nella banda dell'infrarosso. Poiché sono così deboli, queste minuscole stelle rosse non affogherebbero un segnale planetario, offrendo agli scienziati una migliore possibilità di rilevare i pianeti in orbita. Tuttavia, la maggior parte delle missioni odierne non sono ottimizzate per osservare tali stelle.

"Ciò significa che non possono rilevare pianeti attorno a tali stelle", sottolinea de Wit. "Quindi devi progettare un rilevamento completamente diverso utilizzando strumenti e rilevatori speciali: è un rischio".

Gli autori principali Michael Gillon ed Emmanuel Jehin, dell'Università di Liegi, hanno corso questo rischio e hanno costruito TRAPPIST, il telescopio proof-of-concept che guarda 60 piccole stelle ultrafredde vicine.

"Non sta guardando 100.000 stelle alla volta, come il Kepler Space Telescope", dice de Wit. “Sono alcuni di loro su cui trascorri del tempo, uno alla volta. E uno ha pagato».

"Mondi spostati in lunghezza d'onda"

Dalle loro osservazioni, gli scienziati hanno determinato che tutti e tre i pianeti sono probabilmente bloccati in base alle maree, con lati permanenti diurni e notturni. I due pianeti più vicini alla stella potrebbero avere lati diurni troppo caldi e lati notturni troppo freddi per ospitare qualsiasi forma di vita. Tuttavia, potrebbe esserci un "punto debole" sul lato occidentale di entrambi i pianeti - una regione che riceve ancora la luce del giorno, ma con temperature relativamente fresche - che potrebbe essere abbastanza temperato da sostenere condizioni adatte alla vita. Il terzo pianeta, il più lontano dalla sua stella, potrebbe trovarsi interamente all'interno della zona abitabile.

Per quanto riguarda i prossimi passi, de Wit dice che l'obiettivo è chiaro.

"Ora dobbiamo indagare se sono abitabili", dice de Wit. “Indagheremo che tipo di atmosfera hanno e poi cercheremo biomarcatori e segni di vita. Abbiamo strutture in tutto il mondo e nello spazio che ci stanno aiutando, lavorando dagli UV alla radio, in tutte le diverse lunghezze d'onda per dirci tutto ciò che vogliamo sapere su questo sistema. Così tante persone potranno giocare con questo [sistema]".

Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dal Fondo belga per la ricerca scientifica, dal Consiglio europeo della ricerca e dalla NASA.


Particelle potenti e maree che tirano possono influenzare la vita extraterrestre


La dimensione relativa dei pianeti TRAPPIST-1 e le loro orbite. L'intero sistema TRAPPIST-1 potrebbe stare all'interno dell'orbita di Mercurio, con molto spazio libero. La banda rossa indica le orbite dove lo spazio è troppo caldo perché l'acqua liquida possa accumularsi, la banda blu indica dove lo spazio è troppo freddo perché l'acqua sia liquida e la banda verde indica la zona abitabile. CREDITO NASA/JPL-Caltech

Dalla sua scoperta nel 2016, gli scienziati planetari sono stati entusiasti di TRAPPIST-1, un sistema in cui sette pianeti rocciosi delle dimensioni della Terra orbitano attorno a una stella fredda.

Tre dei pianeti si trovano nella zona abitabile, la regione dello spazio in cui l'acqua liquida può fluire sulla superficie dei pianeti. Ma due nuovi studi condotti da scienziati del Lunar and Planetary Laboratory dell'Università dell'Arizona potrebbero portare gli astronomi a ridefinire la zona abitabile per TRAPPIST-1.

I tre pianeti nella zona abitabile stanno probabilmente affrontando un formidabile avversario della vita: particelle ad alta energia emesse dalla stella. Per la prima volta, Federico Fraschetti e un team di scienziati del Centro di Astrofisica | Harvard e Smithsonian hanno calcolato la forza con cui queste particelle colpiscono i pianeti.

Nel frattempo, Hamish Hay, uno studente laureato presso il Lunar and Planatary Laboratory, ha scoperto che il tiro alla fune gravitazionale che i pianeti TRAPPIST-1 stanno giocando tra loro sta sollevando maree sulle loro superfici, forse guidando l'attività vulcanica o riscaldando il ghiaccio. oceani isolati su pianeti altrimenti troppo freddi per sostenere la vita.

Sia l'articolo di Fraschetti che lo studio di Hay, "Tides between TRAPPIST-1 planets", sono stati recentemente pubblicati sull'Astrophysical Journal.

La stella del sistema, TRAPPIST-1A, è più piccola, meno massiccia e di 6.000 gradi Fahrenheit più fredda del nostro sole di 10.000 gradi. È anche estremamente attivo, il che significa che emette enormi quantità di protoni ad alta energia, le stesse particelle che causano le aurore sulla Terra.

Fraschetti e il suo team hanno simulato i viaggi di queste particelle ad alta energia attraverso il campo magnetico della stella. Hanno scoperto che il quarto pianeta, il più interno dei mondi all'interno della zona abitabile di TRAPPIST-1, potrebbe subire un potente bombardamento di protoni.

"Il flusso di queste particelle nel sistema TRAPPIST-1 può essere fino a 1 milione di volte superiore al flusso di particelle sulla Terra", ha detto Fraschetti.

Questa è stata una sorpresa per gli scienziati, anche se i pianeti sono molto più vicini alla loro stella di quanto la Terra non sia al sole. Le particelle ad alta energia vengono trasportate nello spazio lungo i campi magnetici e il campo magnetico di TRAPPIST-1A è strettamente avvolto attorno alla stella.

"Ci si aspetta che le particelle rimangano intrappolate in queste linee di campo magnetico strettamente avvolte, ma se si introduce turbolenza, possono sfuggire, spostandosi perpendicolarmente al campo stellare medio", ha detto Fraschetti.

I brillamenti sulla superficie della stella causano turbolenze nel campo magnetico, consentendo ai protoni di allontanarsi dalla stella. Dove vanno le particelle dipende da come il campo magnetico della stella è inclinato rispetto al suo asse di rotazione. Nel sistema TRAPPIST-1, l'allineamento più probabile di questo campo porterà protoni energetici direttamente sulla faccia del quarto pianeta, dove potrebbero rompere molecole complesse necessarie per costruire la vita - o forse potrebbero fungere da catalizzatori per la creazione di queste molecole.

Mentre il campo magnetico terrestre protegge la maggior parte del pianeta dai protoni energetici emessi dal nostro sole, un campo abbastanza forte da deviare i protoni di TRAPPIST-1 dovrebbe essere incredibilmente forte, centinaia di volte più potente di quello terrestre. Ma questo non significa necessariamente morte per la vita nel sistema TRAPPIST-1.

I pianeti TRAPPIST-1 sono probabilmente bloccati in base alle maree, per prima cosa, il che significa che lo stesso emisfero di ogni pianeta è sempre rivolto verso la stella, mentre la notte perpetua avvolge l'altro.

"Forse il lato notturno è ancora abbastanza caldo per la vita, e non viene bombardato dalle radiazioni", ha detto Benjamin Rackham, un ricercatore associato del Dipartimento di Astronomia dell'UA che non è stato coinvolto in nessuno dei due studi.

Oceans could also shield against destructive high-energy protons, as deep water could absorb the particles before they tear apart the building blocks of life. Tides raised in these oceans and even in the rocks of the planets might have other interesting implications for life.

On Earth, the moon raises tides not only in the oceans - tidal forces deform the spherical shape of Earth's mantle and crust, as well. In the TRAPPIST-1 system, the planets are close enough together that scientists hypothesized the worlds might be raising tides on one another, as the moon does to Earth.

"When a planet or moon deforms from tides, friction inside it will create heating," said Hay, lead author of the second study.

By calculating how the gravity of TRAPPIST-1's planets would tug on and deform each other, Hay explored how much heat tides bring to the system.

TRAPPIST-1 is the only known system where planets can raise significant tides on each other because the worlds are so tightly packed around their star.

"It's such a unique process that no one's thought about in detail before, and it's kind of amazing that it's actually a thing that happens," Hay said. In the past, scientists had only considered tides raised by the star.

Hay found that the inner two planets of the system come close enough together that they raise powerful tides on each other. It is possible the subsequent tidal heating may be strong enough to fuel volcanic activity, which can in turn sustain atmospheres. Though TRAPPIST-1's innermost planets are likely too hot on their day side to sustain life, a volcano-fueled atmosphere could help move some heat to their otherwise-too-cold night side, warming it enough to keep living things from freezing.

The sixth planet in the system, called TRAPPIST-1g, is experiencing tidal tugging from both the star and the other planets. It is the only planet in the system where tidal heating due to the other planets is as strong as that caused by the central star. If TRAPPIST-1g is an ocean world, like Europa or Enceladus in our own solar system, tidal heating could keep its waters warm.

M-dwarf star systems like TRAPPIST-1 offer astronomers the best opportunity to search for life outside the solar system, and Fraschetti and Hay's studies may help scientists choose how to explore the system in the future.

"We need to really understand the suitability of these systems for life, and energetic particle fluxes and tidal heating are important factors to constrain our ability to do that," Rackham said.

References: Fraschetti et al., Stellar Energetic Particles in the Magnetically Turbulent Habitable Zones of TRAPPIST-1-like Planetary Systems, Astrophysical Journal, published March 18, 2019. 10.3847/1538-4357/ab05e4

Hamish C. F. C. Hay and Isamu Matsuyama, Tides Between the TRAPPIST-1 Planets, Astrophysical Journal, published Apr. 9, 2019. DOI: 10.3847/1538-4357/ab0c21


NASA Announces Discovery of Seven Earth-Sized Exoplanets in Orbit Around a Nearby Star

In a much-anticipated press conference on 22 February 2017, NASA announced the discovery of seven “Earth-sized” planets orbiting a single star 40 light years away. Three are “firmly” located in the habitable zone:

The discovery sets a new record for greatest number of habitable-zone planets found around a single star outside our solar system. All of these seven planets could have liquid water – key to life as we know it – under the right atmospheric conditions, but the chances are highest with the three in the habitable zone.

The findings were published in the journal Natura, released in concert with the press conference. NASA monitored this star, named TRAPPIST-1 after the Chilean ground telescope that discovered it and two of the seven planets, for 20 continuous days using their Spitzer Space Telescope. By observing tiny but periodic dips in light from the star, scientists were able to confirm the existence, size, and orbit of seven “Earth-sized” planets, as reported in a feature accompanying the article:

The resulting data revealed that what the scientists thought was a single planet was actually four that orbit their star roughly every 4, 6, 9 and 12 days.

Those four joined the two innermost planets [already discovered] by TRAPPIST and confirmed by the Hubble Space telescope], which whirl around the star once every 1.5 days and 2.4 days. The team also caught a hint of a seventh, more distant planet.

[Lead author Michaël] Gillon says that the six inner planets probably formed farther away from their star and then migrated inward. Now, they are so close to each other that their gravitational fields interact, nudging one another in ways that enabled the team to estimate each planet’s mass. They range from around 0.4 to 1.4 times the mass of the Earth.

While the sheer number of terrestrial planets in or near the habitable zone is newsworthy in its own right, this system has the added advantage of being close enough to Earth to enable scientists to gather even more detailed information, including the basic composition of the planets’ atmospheres. Speaking in a Reddit AMA (“ask me anything”) session hosted by NASA, Natalie Batalha, project scientist for the prolific Kepler Telescope, said:

Kepler taught us that temperate (i.e. Habitable Zone), terrestrial-sized planets are relatively common in the galaxy. The name of the game now is to find those near enough for atmospheric characterization. Of the few dozen Habitable Zone planets that have been detected to date, most are hundreds of light-years away whereas TRAPPIST-1 is just 40 light-years away.

In fact, NASA had already developed a telescope capable of characterizing the atmospheres of exoplanets, the James Webb Telescope, and it is scheduled to launch in 2018. NASA has signalled that they will be using it to investigate this system:

Spitzer, Hubble, and Kepler will help astronomers plan for follow-up studies using NASA’s upcoming James Webb Space Telescope, launching in 2018. With much greater sensitivity, Webb will be able to detect the chemical fingerprints of water, methane, oxygen, ozone, and other components of a planet’s atmosphere. Webb also will analyze planets’ temperatures and surface pressures – key factors in assessing their habitability.

While the scientists behind the study state that climate models allow for the possibility of liquid water on all seven planets, questions concerning any of these planets’ habitability are complicated by unknowns about the planet’s composition, their star, and its evolutionary history.

TRAPPIST-1—an M class star or red dwarf—is a smaller and cooler kind of star compared to our own. That means that the habitable zone is extremely close to the star itself and that these seven planets are very close together:

All seven of the TRAPPIST-1 planetary orbits are closer to their host star than Mercury is to our sun. The planets also are very close to each other. If a person were standing on one of the planet’s surface, they could gaze up and potentially see geological features or clouds of neighboring worlds, which would sometimes appear larger than the moon in Earth’s sky.

One major implication of this close proximity, though, is that it very likely means that the planets:

May also be tidally locked to their star, which means the same side of the planet is always facing the star, therefore each side is either perpetual day or night. This could mean they have weather patterns totally unlike those on Earth, such as strong winds blowing from the day side to the night side, and extreme temperature changes.

Tidal locking or not, M class stars come with a host of other issues as well, answered NASA Goddard Space Flight Center astrobiologist Giada Arney on Reddit:

Red dwarfs (also called M dwarfs to astronomers) have a number of complications as host stars. M dwarfs flare frequently and can emit a lot of high energy radiation that can batter their planets’ atmospheres. On top of that, when M dwarfs are young, they are much, much brighter during a period called the pre-main sequence. What this means is that planets currently in the habitable zone of M dwarfs were actually interior to the habitable zone during the long pre-main sequence phase and could now be desiccated and potentially Venus-like despite being in the habitable zone today.

One way of getting around this challenge is if the planets migrated into the habitable zone from farther out after the super luminous pre-main sequence phase ended — which is possible!

Penn State University astronomer James Kastings, who was not involved in this study, told us that in terms of habitability, “there’s a list of problems with M star planets about as long as my arm, but [that] doesn’t mean that there’s not ways around them.” For him and many others in the field though, questions about habitability are only one reason to be excited by the find.

Reporting in Natura, Alexandra Witze wrote of these planets:

The arrangement of so many Earth-sized planets so close together will be a bonanza for researchers who are working to compare how worlds evolve. Venus and Earth started out in similar conditions, but ended up in two highly different states uninhabitable Venus is now choked under a dense blanket of clouds. The TRAPPIST-1 system probably has a similar variety of worlds. “If one of these planets hosts life and the adjacent one doesn’t, why not?” asks Sarah Ballard, an astronomer at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge.

The discovery also demonstrates the importance of looking at M class stars in future exoplanet surveys, she wrote, and is vindicates those who have already begun that work:

It’s also vindication for astronomers who hunt for planets around the cool, dim stars known as M dwarfs. These are the most common type of star in the Milky Way, but many exoplanet searches have focused instead on bigger and brighter stars that more closely resemble the Sun. Even NASA’s Kepler space telescope, which found most of the more than 4,700 planetary candidates known so far, turned to M dwarfs only recently.

While the James Webb Telescope will undoubtedly bring more details to light about these alien worlds, Arney told Reddit that we shouldn’t count on seeing any detailed images of the planets anytime soon:

[The James Webb Telescope] will observe planets transiting their host stars. […] From these transits, we can observe how gases in the planet’s atmosphere interact with starlight passing through the atmosphere. Unfortunately, this technique doesn’t allow us to see the surfaces of exoplanets. To do that, we’ll need farther future technology that may become available in the coming decades that will allow us to block out the star’s light and observe the planets directly.

However, the TRAPPIST-1 planets, being so close to their host star, would likely be tricky to directly observe in this way. These starlight suppression technologies fail once you get too close to the star, and so these types of observations would be extremely difficult. Other planetary systems orbiting hotter stars may be detectable with these technologies.

“I’m hoping this helps light the fire for building these big space telescopes to look for other such planets,” Kastings told us.

NASA “NASA Telescope Reveals Largest Batch of Earth-Size, Habitable-Zone Planets Around Single Star”
22 February 2017.

Gillon, Michael et al. “Seven Temperate Terrestrial Planets Around the Nearby Ultracool Dwarf Star TRAPPIST-1.”
Natura. 22 February 2017.

Witze, Alexandra. “These Seven Alien Worlds Could Help Explain How Planets Form.”
Natura. 22 February 2017.


Powerful particles and tugging tides may affect extraterrestrial life

An artist's impression of the perpetual sunrise that might greet visitors on the surface of planet TRAPPIST-1f. If the planet is tidally locked, the "terminator region" dividing the night side and day side of the planet could be a place where life might take hold, even if the day side is bombarded by energetic protons. In this image, TRAPPIST-1e can be seen as a crescent in the upper left of the image, d is the middle crescent, and c is a bright dot next to the star. Credito: NASA/JPL-Caltech

Since its discovery in 2016, planetary scientists have been excited about TRAPPIST-1, a system where seven Earth-sized rocky planets orbit a cool star. Three of the planets are in the habitable zone, the region of space where liquid water can flow on the planets' surfaces. But two new studies by scientists in the University of Arizona's Lunar and Planetary Laboratory may lead astronomers to redefine the habitable zone for TRAPPIST-1.

The three planets in the habitable zone are likely facing a formidable opponent to life: high-energy particles spewed from the star. For the first time, Federico Fraschetti and a team of scientists from the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian have calculated how hard these particles are hitting the planets.

Meanwhile, Hamish Hay, a graduate student in the Lunar and Planatary Laboratory, has found that the gravitational tug-of-war the TRAPPIST-1 planets are playing with one another is raising tides on their surfaces, possibly driving volcanic activity or warming ice-insulated oceans on planets that are otherwise too cold to support life.

Both Fraschetti's paper and Hay's study, "Tides between TRAPPIST-1 planets," are recently published in the Giornale Astrofisico.

The system's star, TRAPPIST-1A, is smaller, less massive and 6,000 degrees Fahrenheit cooler than our 10,000-degree sun. It is also extremely active, meaning it emits huge amounts of high-energy protons – the same particles that cause auroras on Earth.

Fraschetti and his team simulated the journeys of these high-energy particles through the magnetic field of the star. They found that the fourth planet – the innermost of the worlds inside the TRAPPIST-1 habitable zone– may be experiencing a powerful bombardment of protons.

"The flux of these particles in the TRAPPIST-1 system can be up to 1 million times more than the particles flux on Earth," Fraschetti said.

The relative size of the TRAPPIST-1 planets and their orbits. The entire TRAPPIST-1 system could fit within the orbit of Mercury, with plenty of room to spare. The red band indicates the orbits where space is too hot for liquid water to pool, the blue band indicates where space is too cold for water to be liquid, and the green band indicates the habitable zone. Credito: NASA/JPL-Caltech

This came as a surprise to the scientists, even though the planets are much closer to their star than Earth is to the sun. High-energy particles are carried through space along magnetic fields, and TRAPPIST-1A's magnetic field is tightly wound around the star.

"You expect that the particles would get trapped in these tightly wrapped magnetic field lines, but if you introduce turbulence, they can escape, moving perpendicularly to the average stellar field," Fraschetti said.

Flares on the surface of the star cause turbulence in the magnetic field, allowing the protons to sail away from the star. Where the particles go depends on how the star's magnetic field is angled away from its axis of rotation. In the TRAPPIST-1 system, the most likely alignment of this field will bring energetic protons directly to the fourth planet's face, where they could break apart complex molecules that are needed to build life – or perhaps they could serve as catalysts for the creation of these molecules.

While Earth's magnetic field protects most of the planet from energetic protons emitted by our sun, a field strong enough to deflect TRAPPIST-1's protons would need to be improbably strong – hundreds of times more powerful than Earth's. But this does not necessarily spell death for life in the TRAPPIST-1 system.

The TRAPPIST-1 planets are likely tidally locked, for one thing, meaning that the same hemisphere of each planet always faces the star, while perpetual night enshrouds the other.

"Maybe the night side is still warm enough for life, and it doesn't get bombarded by radiation," said Benjamin Rackham, a research associate with UA Department of Astronomy who was not involved with either study.

Oceans could also shield against destructive high-energy protons, as deep water could absorb the particles before they tear apart the building blocks of life. Tides raised in these oceans and even in the rocks of the planets might have other interesting implications for life.

An artist's concept for a view of the TRAPPIST-1 system from near TRAPPIST-1f. The system is located in the constellation Aquarius and is just under 40 light-years away from Earth. Credito: NASA/JPL-Caltech

On Earth, the moon raises tides not only in the oceans – tidal forces deform the spherical shape of Earth's mantle and crust, as well. In the TRAPPIST-1 system, the planets are close enough together that scientists hypothesized the worlds might be raising tides on one another, as the moon does to Earth.

"When a planet or moon deforms from tides, friction inside it will create heating," said Hay, lead author of the second study.

By calculating how the gravity of TRAPPIST-1's planets would tug on and deform each other, Hay explored how much heat tides bring to the system.

TRAPPIST-1 is the only known system where planets can raise significant tides on each other because the worlds are so tightly packed around their star.

"It's such a unique process that no one's thought about in detail before, and it's kind of amazing that it's actually a thing that happens," Hay said. In the past, scientists had only considered tides raised by the star.

Hay found that the inner two planets of the system come close enough together that they raise powerful tides on each other. It is possible the subsequent tidal heating may be strong enough to fuel volcanic activity, which can in turn sustain atmospheres. Though TRAPPIST-1's innermost planets are likely too hot on their day side to sustain life, a volcano-fueled atmosphere could help move some heat to their otherwise-too-cold night side, warming it enough to keep living things from freezing.

The sixth planet in the system, called TRAPPIST-1g, is experiencing tidal tugging from both the star and the other planets. It is the only planet in the system where tidal heating due to the other planets is as strong as that caused by the central star. If TRAPPIST-1g is an ocean world, like Europa or Enceladus in our own solar system, tidal heating could keep its waters warm.

M-dwarf star systems like TRAPPIST-1 offer astronomers the best opportunity to search for life outside the solar system, and Fraschetti and Hay's studies may help scientists choose how to explore the system in the future.

"We need to really understand the suitability of these systems for life, and energetic particle fluxes and tidal heating are important factors to constrain our ability to do that," Rackham said.


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The software, called ExoPlex, meant they could combine all the available information about the mass and radius of the planets as well as their chemical makeup.

They found the relatively 'dry' inner planets ('b' and 'c') had around 15 per cent water by mass.

The outer planets ('f' and 'g') had more than 50 per cent water by mass.

'We typically think having liquid water on a planet as a way to start life, since life, as we know it on Earth, is composed mostly of water and requires it to live,' said Dr Natalie Hinkel of Vanderbilt University, who was involved in the study.

Three of the planets are in the so-called 'goldilocks' habitable zone. This graph shows the minimum starting distances of the ice-rich Trappist-1 planets from their star (horizontal axis) as a function of how quickly they formed after their host star was born (vertical axis)

Scientists say some of the planets have up to 50 per cent water by mass. This is a huge amount considering our own blue planet is only around 0.02 per cent water by mass. Pictured is an artist's impression

Finding water is a good sign but in the case of these 'water worlds' (artist's impression) they could have so much they lack necessary geochemicals to sustain life . This image highlights possibilities for how the surfaces of these intriguing worlds might look

Experts found the relatively 'dry' inner planets ('b' and 'c') had around 15 per cent water by mass. The outer planets ('f' and 'g') had more than 50 per cent water by mass (artist's impression)

'However, a planet that is a water world, or one that doesn't have any surface above the water, does not have the important geochemical or elemental cycles that are absolutely necessary for life.

'It's a classic scenario of "too much of a good thing".'

Researchers also found that the ice-rich Trappist-1 planets are much closer to their host star than the ice line.

The 'ice line' in any solar system is the distance from the star beyond which water exists as ice.

Researchers suspect Trappist-1e is most like Earth. It is slightly denser than Earth, suggesting it might have a denser core than our planet. Like Trappist-1c, it doesn't necessarily have a thick atmosphere, ocean or ice layer (artist's impression)

WHAT IS THE TRAPPIST-1 SYSTEM?

TRAPPIST-1 is a planetary system consisting of seven planets orbiting an ultra-cool dwarf star, called TRAPPIST-1, about 40 light-years away in the Aquarius constellation.

TRAPPIST-1 is named after the Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chile, which discovered two of the seven planets we know of today - announced in 2016.

NASA's Spitzer Space Telescope, in collaboration with ground-based telescopes, confirmed these planets and uncovered the other five in the system.

The TRAPPIST-1 planets huddle so close to one another that a person standing on the surface of one of these worlds would have a spectacular view of the neighbouring planets in the sky, which would sometimes appear larger than the Moon looks to an observer on Earth.

TRAPPIST-1 is a planetary system consisting of seven planets orbiting an ultra-cool dwarf star, called TRAPPIST-1, about 40 light-years away in the Aquarius constellation. TRAPPIST-1 is named after the Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chile, which discovered two of the seven planets we know of today - announced in 2016

The researchers found that the seven planets are considered temperate, meaning that under certain geological and atmospheric conditions, all could have conditions that allow water to remain in liquid form

They may also be tidally locked, meaning the same side of the planet is always facing the star, and each side is in perpetual day or night. Although the planets are all closer to their star than Mercury is to the Sun, TRAPPIST-1 is such a cool star that its planets are temperate.

Based on available data, here are scientists' best guesses about the appearance of the planets:

  • TRAPPIST-1b : The system's innermost planet is likely to have a rocky core, surrounded by an atmosphere much thicker than Earth's.
  • TRAPPIST-1c : Also likely has a rocky interior, but with a thinner atmosphere than planet b.
  • TRAPPIST-1d : The lightest of the planets - about 30 per cent the mass of Earth. Researchers are not certain whether it has a large atmosphere, an ocean or an ice layer. All three of these would provide the planet an 'envelope' of volatile substances.
  • TRAPPIST-1e : Researchers suspect that this planet is most like Earth. It is slightly denser than Earth, suggesting it might have a denser core than our planet. Like TRAPPIST-1c, it doesn't necessarily have a thick atmosphere, ocean or ice layer - making these two planets distinct in the system. In addition, the planet is a lot rockier than the rest of the planets. In terms of size, density and the amount of radiation it receives from its star, this is the most similar to planet Earth.
  • TRAPPIST-1f, g and h : Far enough from the host star that water could be frozen as ice across these surfaces. If they have thin atmospheres, they would be unlikely to contain the heavy molecules of Earth such as carbon dioxide.

Through their analyses, the team determined that the Trappist-1 planets must have formed much farther from their star, beyond the ice line, and migrated in to their current orbits.

Knowing which planets formed inside and outside of the ice line allowed the team to quantify for the first time how much migration took place.

Because stars like Trappist-1 are brightest right after they form and gradually dim thereafter, the ice line tends to move in over time, like the boundary between dry ground and snow-covered ground around a dying campfire on a snowy night.

According to the researchers, the form that water takes on Trappist-1 planets would depend on the amount of heat they receive from their star, which is only nine per cent as heavy as our sun

The Trappist-1 planets huddle so close to one another that a person standing on the surface of one of these worlds would have a spectacular view of the neighbouring planets in the sky, which would sometimes appear larger than the Moon looks to an observer on Earth

The exact distances the planets migrated inward depends on when they formed.

'The earlier the planets formed, the farther away from the star they needed to have formed to have so much ice,' said Steven Desch, an Arizona State University astrophysicist and contributing author.

'But for reasonable assumptions about how long planets take to form, the Trappist-1 planets must have migrated inward from at least twice as far away as they are now.'

Because it is so faint, the star's 'habitable zone' - the orbital region where water can exist as a liquid - is much closer in than the sun's.

WHAT IS THE GOLDILOCKS ZONE?

The habitable zone is the range of orbits around a star in which a planet can support liquid water.

This habitable zone is also known as the ‘Goldilocks’ zone, taken from the children’s fairy tale.

The temperature from the star needs to be 'just right' so that liquid water can exist on the surface.

The boundaries of the habitable zone are critical.

If a planet is too close to its star, it will experience a runaway greenhouse gas effect, like Venus.

But if it's too far, any water will freeze, as is seen on Mars.

Since the concept was first presented in 1953, many stars have been shown to have a Goldilocks area, and some of them have one or several planets in this zone, like 'Kepler-186f', discovered in 2014.

As a result the seven planets are all nearer their star than Mercury is to the sun, yet enjoy relatively mild climates.

The worlds are also so huddled together that a person standing on any one of them would have a spectacular view of their celestial neighbours.

In some cases, the planets could appear larger than the moon seen from the Earth, said the astronomers.

The planets may also be tidally locked, meaning the same face is always pointing towards the star.

The full findings of the study were published in the journal Nature Astronomy.

Through their analyses, the team determined that the Trappist-1 planets must have formed much farther from their star, beyond the ice line, and migrated in to their current orbits


These are the planets you’d want to live on in the star system most like ours

If you were going to design a laboratory for answering questions about solar systems, you could hardly do better than TRAPPIST-1. The system, just 39 light-years away, comprises a dim red sun orbited by seven rocky Earth-size worlds — almost as if someone had designed an experiment in planet formation.

When the discovery was announced in February, it sent planetary scientists Amy Barr Mlinar, Vera Dobos and Laszlo Kiss over the moon.

“All of us have waited our entire careers to be able to take what we know about solar system processes and extrapolate to another system,” said Barr Mlinar, a senior scientist at the Planetary Science Institute. “Here we can finally do it.”

In a study in the journal Astronomy and Astrophysics, Barr Mlinar and her colleagues took a close look at geophysics of the seven TRAPPIST-1 worlds, revealing places that might brim with liquid water or boil with volcanic activity. Two of the planets, d and e, are potentially habitable — under the right circumstances, they could sustain life.

Very little is known about the TRAPPIST-1 planets, named b through h in order of distance from their sun. They can't be seen directly with our technology. Instead, astronomers discovered them by measuring tiny blips in the light emanating from their star as the planets crossed in front of it — a phenomenon called “transiting.” By studying the frequency of those transits, the scientists could figure out the length of the planets' orbits and their distance from the star.

TRAPPIST-1's discoverers also determined that the six inner planets are locked in an orbital resonance, meaning that the lengths of their orbits are related by a ratio of whole numbers. Because of this, the bodies exert regular gravitational influences on one another. By measuring those influences, the astronomers could determine the mass of the planets, something that is impossible to figure out from transiting data alone. That in turn allowed them to loosely calculate the bodies' densities.

With this scant information, Barr Mlinar and her colleagues set about building a model of what those worlds might be like. Having an estimate of each planet's density allowed them to guess what the planets might be made of.


Powerful Particles and Tugging Tides May Affect Extraterrestrial Life

An artist's impression of the perpetual sunrise that might greet visitors on the surface of planet TRAPPIST-1f. If the planet is tidally locked, the "terminator region" dividing the night side and day side of the planet could be a place where life might take hold, even if the day side is bombarded by energetic protons. In this image, TRAPPIST-1e can be seen as a crescent in the upper left of the image, d is the middle crescent, and c is a bright dot next to the star. Image credit: NASA/JPL-Caltech

Since its discovery in 2016, planetary scientists have been excited about TRAPPIST-1, a system where seven Earth-sized rocky planets orbit a cool star. Three of the planets are in the habitable zone, the region of space where liquid water can flow on the planets’ surfaces. But two new studies by scientists in the University of Arizona’s Lunar and Planetary Laboratory may lead astronomers to redefine the habitable zone for TRAPPIST-1.

The three planets in the habitable zone are likely facing a formidable opponent to life: high-energy particles spewed from the star. For the first time, Federico Fraschetti and a team of scientists from the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian have calculated how hard these particles are hitting the planets.

Meanwhile, Hamish Hay, a graduate student in the Lunar and Planatary Laboratory, has found that the gravitational tug-of-war the TRAPPIST-1 planets are playing with one another is raising tides on their surfaces, possibly driving volcanic activity or warming ice-insulated oceans on planets that are otherwise too cold to support life.

Both Fraschetti’s paper and Hay's study, “Tides between TRAPPIST-1 planets,” are recently published in the Astrophysical Journal.

Punchy Protons

The system’s star, TRAPPIST-1A, is smaller, less massive and 6,000 degrees Fahrenheit cooler than our 10,000-degree sun. It is also extremely active, meaning it emits huge amounts of high-energy protons – the same particles that cause auroras on Earth.

Fraschetti and his team simulated the journeys of these high-energy particles through the magnetic field of the star. They found that the fourth planet – the innermost of the worlds inside the TRAPPIST-1 habitable zone– may be experiencing a powerful bombardment of protons.

"The flux of these particles in the TRAPPIST-1 system can be up to 1 million times more than the particles flux on Earth," Fraschetti said.

This came as a surprise to the scientists, even though the planets are much closer to their star than Earth is to the sun. High-energy particles are carried through space along magnetic fields, and TRAPPIST-1A’s magnetic field is tightly wound around the star.

"You expect that the particles would get trapped in these tightly wrapped magnetic field lines, but if you introduce turbulence, they can escape, moving perpendicularly to the average stellar field," Fraschetti said.

Flares on the surface of the star cause turbulence in the magnetic field, allowing the protons to sail away from the star. Where the particles go depends on how the star’s magnetic field is angled away from its axis of rotation. In the TRAPPIST-1 system, the most likely alignment of this field will bring energetic protons directly to the fourth planet’s face, where they could break apart complex molecules that are needed to build life – or perhaps they could serve as catalysts for the creation of these molecules.

While Earth’s magnetic field protects most of the planet from energetic protons emitted by our sun, a field strong enough to deflect TRAPPIST-1’s protons would need to be improbably strong – hundreds of times more powerful than Earth’s. But this does not necessarily spell death for life in the TRAPPIST-1 system.

The TRAPPIST-1 planets are likely tidally locked, for one thing, meaning that the same hemisphere of each planet always faces the star, while perpetual night enshrouds the other.

"Maybe the night side is still warm enough for life, and it doesn’t get bombarded by radiation," said Benjamin Rackham, a research associate with UA Department of Astronomy who was not involved with either study.

Oceans could also shield against destructive high-energy protons, as deep water could absorb the particles before they tear apart the building blocks of life. Tides raised in these oceans and even in the rocks of the planets might have other interesting implications for life.

Tugging Tides

On Earth, the moon raises tides not only in the oceans – tidal forces deform the spherical shape of Earth’s mantle and crust, as well. In the TRAPPIST-1 system, the planets are close enough together that scientists hypothesized the worlds might be raising tides on one another, as the moon does to Earth.

"When a planet or moon deforms from tides, friction inside it will create heating," said Hay, lead author of the second study.

By calculating how the gravity of TRAPPIST-1’s planets would tug on and deform each other, Hay explored how much heat tides bring to the system.

TRAPPIST-1 is the only known system where planets can raise significant tides on each other because the worlds are so tightly packed around their star.

"It’s such a unique process that no one’s thought about in detail before, and it’s kind of amazing that it’s actually a thing that happens," Hay said. In the past, scientists had only considered tides raised by the star.

Hay found that the inner two planets of the system come close enough together that they raise powerful tides on each other. It is possible the subsequent tidal heating may be strong enough to fuel volcanic activity, which can in turn sustain atmospheres. Though TRAPPIST-1’s innermost planets are likely too hot on their day side to sustain life, a volcano-fueled atmosphere could help move some heat to their otherwise-too-cold night side, warming it enough to keep living things from freezing.

The sixth planet in the system, called TRAPPIST-1g, is experiencing tidal tugging from both the star and the other planets. It is the only planet in the system where tidal heating due to the other planets is as strong as that caused by the central star. If TRAPPIST-1g is an ocean world, like Europa or Enceladus in our own solar system, tidal heating could keep its waters warm.

M-dwarf star systems like TRAPPIST-1 offer astronomers the best opportunity to search for life outside the solar system, and Fraschetti and Hay’s studies may help scientists choose how to explore the system in the future.

"We need to really understand the suitability of these systems for life, and energetic particle fluxes and tidal heating are important factors to constrain our ability to do that," Rackham said.


Risposte e risposte

Detecting industrial pollution in the atmospheres of earth-like exoplanets
The exoplanets have to be veramente bad, even if we have the JWST available, to have detectable industrial pollution.

A bit more sourced speculation about the press conference: 7 Earth-sized planets around TRAPPIST-1? 3 planets are known already, and the panel members were interested in follow-up observations if I interpret the blog sources correctly.

This catalog of potentially habitable exoplanets expects an update on Thursday. Do they know something we do not?

Based on that panel, I'm quite sure the announcement will be related to the atmospheric composition of some exoplanet, measured in a transit.

Speculation: We had water (multiple times), carbon monoxide, carbon dioxide and methane already. We had hydrogen and helium. We also had sodium and titanium dioxide on very hot planets. A new observation of those gases around more exoplanets wouldn't need a press conference. Clouds were also discovered before. What is missing?
- Nitrogen is not in the list, but nitrogen is hard to observe.
- Oxygen would be a big sensation, as processes without life that produce oxygen are rare. While it is hard to observe, it will come with some ozone, which can be detected. Ozone has absorption bands in the infrared.
- Oxygen plus methane together would be even more spectacular, as the combination would be outside of chemical equilibrium.

0.5 billion years before photosynthesis evolved (which began producing oxygen), and oxygen was not present in significant amounts in the atmosphere until about 2-2.5 billion years ago (for comparison, life is thought to have evolved

Yes, 7 planets around TRAPPIST-1, all about Earth-sized with quite precise radius estimates from transits, and approximate mass measurements from transit timing variation.

3 are too hot for liquid water (b,c,d), 3 of them in the habitable zone (e,f,g), 1 (h) is too cold. The three planets seen before were the innermost two and the outermost one, so all potentially habitable planets are new. Probably tidally locked (all?).

0.92 times Earth radius, about half the mass
f: missed the radius, but also similar to Earth
g:1.05 times Earth radius, similar irradiation as Mars
h: Largest planet. Period is poorly known which is odd.

One has a density that suggests water present, but no confirmation of water yet. The orbits are in resonances, which suggests that they formed further out and migrated inwards, making water on them quite likely.

Hubble is currently studying the atmospheres, and various other telescopes are looking at the system. JWST will do so later as well. JWST will measure the greenhouse gases to improve the temperature estimate, and it will look for oxygen/ozone and methane.
We'll probably get good atmosphere estimates within the next 5 years.

Ultracool dwarfs like TRAPPIST-1 start very active, could have blown away atmospheres from the planets in the past. Now (at least half a billion years old, hard to estimate better as the star doesn't change much any more) the star is very quiet.

Moons around planets so close to the stars are unlikely. Tidal forces from other planets would be relevant. Planets as seen by other planets would look as large as the Moon from Earth.

TRAPPIST program got extended to have more telescopes to observe more stars.
SETI looked at the system in the past but didn't find anything.

The planetary orbits are not much larger than that of Jupiter's Galilean moon system, and much smaller than the orbit of Mercury in the Solar System. However, TRAPPIST-1's small size and low temperature mean that the energy input to its planets is similar to that received by the inner planets in our Solar System TRAPPIST-1c, d and f receive similar amounts of energy to Venus, Earth and Mars, respectively.

All seven planets discovered in the system could potentially have liquid water on their surfaces, though their orbital distances make some of them more likely candidates than others. Climate models suggest the innermost planets, TRAPPIST-1b, c and d, are probably too hot to support liquid water, except maybe on a small fraction of their surfaces. The orbital distance of the system's outermost planet, TRAPPIST-1h, is unconfirmed, though it is likely to be too distant and cold to harbour liquid water -- assuming no alternative heating processes are occurring [5]. TRAPPIST-1e, f, and g, however, represent the holy grail for planet-hunting astronomers, as they orbit in the star's habitable zone[6].


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