Układ TRAPPIST-1 jest oddalony od nas o około czterdzieści lat świetlnych i składa się z czerwonego karła oraz siedmiu obiegających ją planet o rozmiarach przypominających Ziemię. Wiemy, że takie układy są dość powszechne w galaktyce, a TRAPPIST-1 jest jednym z najbliższych Ziemi, co sprawia, że jest idealnym kandydatem do obserwacji. Jako że często wiążemy możliwość występowania życia z istnieniem atmosfery, powstaje pytanie dotyczące możliwości utrzymania przez planety takiej otoczki w bliskim towarzystwie czerwonego karła, który jest znany z częstych i silnych flar.
W zeszłym roku pojawiły się silne dowody na brak atmosfery wokół TRAPPIST-1 d, czyli trzeciej planety od gwiazdy. Ten obiekt był szczególnie interesujący, ponieważ znajdował się na granicy ekosfery, czyli obszaru, w którym woda może występować w stanie ciekłym. Obserwacje zostały wykonane za pomocą spektrografu do bliskiej podczerwieni (NIRSpec) Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. (Więcej o tym odkryciu można przeczytać tutaj).
Wizualizacja układu TRAPPIST-1, z zaznaczoną na zielono ekosferą oraz porównaniem do Układu Słonecznego. Warto zauważyć, że TRAPPIST-1 jest znacznie mniejszy od Układu Słonecznego. Jego najdalsza planeta jest oddalona od swojej gwiazdy o zaledwie 0,06 odległości Ziemia-Słońce. Skutkiem tego są krótkie czasy obiegu trwające od 1,5 do 19 ziemskich dni.
Niedawno ukazała się praca negująca istnienie atmosfer wokół TRAPPIST-1 b i TRAPPIST-1 c, czyli dwóch najbliższych czerwonemu karłowi planet. Skupimy się na jednym z głównych badań dotyczących tego tematu, który ukazał się na łamach Nature Astronomy i jest owocem współpracy naukowców z wielu krajów. W rozpatrywanym przypadku obserwacje również przeprowadził Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, a łączny czas obserwacji wyniósł około 59 godzin. Badanie to jest na tyle ciekawe, że w porównaniu do innej popularnej metody, polegającej na znajdywaniu widma atmosfery podczas tranzytu planety, tutaj wyznaczono krzywą jasności całego układu w zależności od czasu, a dokładniej od fazy orbity. Dało się to zrobić dzięki bardzo krótkim okresom obiegu, wynoszącymi odpowiednio 1,5 i 2,4 dnia dla planet b i c. Na tej podstawie udało się wyznaczyć całą krzywą jasności TRAPPIST-1 b oraz dziewięćdziesiąt procent krzywej dla TRAPPIST-1 c.
Wiemy, że jasność obiektów jest ściśle powiązana z temperaturą powierzchni, którą obserwujemy. Ta właściwość została wykorzystana przez naukowców badających krzywe jasności planet, ponieważ podczas pełnego cyklu orbitalnego powinniśmy zobaczyć zarówno nocną, jak i dzienną stronę planety. Wynika to z faktu, że podobnie jak w układzie Ziemia-Księżyc, okres obiegu równy jest okresowi rotacji i planety te są ciągle zwrócone tę samą stroną do gwiazdy. Dzięki temu dzienna strona powinna się bardzo nagrzać, o ile nie ma grubej atmosfery. Porównując jasność w skrajnych momentach, jesteśmy w stanie znaleźć temperatury po obu stronach obiektu, a na tej podstawie możemy wysnuwać wnioski na temat atmosfery, np. transportu ciepłych gazów z dziennej strony na nocną lub na temat istnienia gazów cieplarnianych, które utrzymują temperaturę. Uzyskane dane wskazują na dużą różnicę temperatur po dwóch stronach obu planet, co przejawia się m.in. w praktycznie niezauważalnej emisji promieniowania przez nieoświetloną część ciał.
Krzywa fazowa dla WASP-43 b obejmująca 1,25 roku planety. Jest to wykres jasności układu gwiazda-planeta od czasu. Widoczna sinusoida jest spowodowana okrążającą planetą, przy czym jaśniejsze fragmenty występują, kiedy widzimy jej dzienną stronę, a ciemniejsze, kiedy patrzymy na jej stronę nocną. Wgłębienia są spowodowane tranzytem planety przed gwiazdą (głębsze) lub schowaniem się ciała za gwiazdą (płytsze). Podobny wykres wyznaczono dla układu TRAPPIST-1.
Po przeanalizowaniu zdobytych informacji na temat TRAPPIST-1 b, okazało się, że jest bardzo mało prawdopodobne, aby miał zauważalną atmosferę. Temperatura dziennej strony wynosi około 490 kelwinów, podczas gdy nocna znajduje się w okolicach 200 kelwinów. Tak wyraźna różnica wskazuje na bardzo słaby transport ciepła wokół TRAPPIST-1 b (naukowcy oszacowują, że w przypadku całkowitej wymiany ciepła, obie strony planety uzyskałyby około 400 kelwinów, tzw. temperaturę równowagową dla ciała doskonale czarnego). Jednym z najlepiej dopasowanych modeli teoretycznych opisujących dane obserwacyjne jest model litej skały pozbawionej atmosfery, co jest silnym dowodem na brak otoczki wokół planety.
Przypadek TRAPPIST-1 c jest nieco mniej jednoznaczny. Temperatury dziennej i nocnej strony wynoszą odpowiednio około 370 i 220 kelwinów. Różnica ta jest na tyle duża, że również w przypadku TRAPPIST-1 c możemy wykluczyć istnienie grubej atmosfery, ponieważ wyrównałaby ona te wartości do temperatury równowagowej, oszacowanej na około 340 kelwinów (niższa wartość temperatury niż w przypadlu TRAPPIST-1 b wynika z większej odległości planety “c” od gwiazdy). Jednak podczas gdy temperatura po dziennej stronie TRAPPIST-1 b jest znacząco wyższa od równowagowej (o dziewięćdziesiąt kelwinów), tak dla TRAPPIST-1 c różnica ta wynosi trzydzieści kelwinów. Autorzy badania proponują dwa rozwiązania dla tego zróżnicowania. Jedno z nich wskazuje na cienką warstwę atmosfery otaczającą TRAPPIST-1 c, która pozwala na częściowy transport ciepła, a drugie na większe albedo i konsekwentnie mniejsze nagrzewanie się powierzchni planety “c” w porównaniu do TRAPPIST-1 b, co mogłoby wynikać z różnic w składzie chemicznym. Ta niepewność dotycząca rozwiązania zagadki TRAPPIST-1 c może być powodem do przyszłych obserwacji tego układu przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Korekta merytoryczna — Kuba Klencki
Korekta – Adam Piznal
