Astronomie

Sind zukünftige Beobachtungen von TRAPPIST-1 und seinen Planeten geplant?

Sind zukünftige Beobachtungen von TRAPPIST-1 und seinen Planeten geplant?

Die jüngste Entdeckung neuer Planeten um den Stern TRAPPIST-1 erfolgte durch Beobachtungen von 7 bodengestützten Teleskopen sowie dem Spitzer-Weltraumteleskop. Das verantwortliche Astronomenteam hat festgestellt, dass es viele relevante Parameter gibt, die noch große Unsicherheiten aufweisen, einschließlich Bahninformationen und Planetenmasse. Es gibt auch einige Aufregung über eine mögliche atmosphärische Komposition.

Sind da welche definitiv geplante zukünftige Beobachtungen des Systems? Ich gehe davon aus, dass es irgendwann vom James Webb Space Telescope anvisiert wird, aber das wird erst in anderthalb Jahren starten und es hat viele andere Ziele.

Ich suche keine detaillierten Informationen - ich weiß, dass die nicht leicht zu sammeln sind - aber wenn es allgemeine Erwähnungen gibt, wie diese über das Subaru-Teleskop und Planet Neun, wäre das fantastisch.


Eine Website trappist.one wurde erstellt, um detaillierte Informationen über diese Entdeckung zu erhalten. Im Abschnitt "Zukunft" heißt es konkret:

Kurzfristig sollten photometrische Nachuntersuchungen mit dem umfunktionierten Kepler-Satelliten (genannt K2) zusammen mit neueren Beobachtungen mit Spitzer die Periode des Planeten 1h aufdecken. Wir werden auch nach weiteren Planeten suchen. Diese Lichtkurven, kombiniert mit bodengestützten Messungen, werden die Anzahl der Transitzeitmessungen für jeden der Planeten erhöhen. Dadurch erhalten wir genauere Massen und Orbitalexzentrizitäten. Dies wird bestätigen, ob die Planeten hauptsächlich aus Gestein bestehen oder ob sie eine bestimmte Menge flüchtiger Stoffe wie Wasser enthalten.

Mittelfristig sind erste Versuche zur Detektion der Atmosphären der TRAPPIST-1-Planeten mit Hubble zu erwarten, gefolgt von tiefergehenden Untersuchungen dank James Webb. Der James Webb könnte im Prinzip die Temperatur der Planeten messen und die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphären nachweisen. Dazu werden Dutzende von Finsternisse der TRAPPIST-1-Planeten gesammelt. Der Vorteil von sieben Planeten in einem System besteht darin, dass wir sie miteinander vergleichen können.

Es scheint, dass sie derzeit verwenden Kepler und Spitzer und planen zu verwenden Hubble in naher Zukunft sowie as JWST nachdem es gestartet ist.


In dem von der NASA geteilten Video wird ausdrücklich erwähnt, dass JWST zur Beobachtung des TRAPPIST-1-Systems verwendet wird. Tatsächlich wird das eines der Hauptziele sein.


TRAPPIST-1: Ein dunkler Stern mit strahlender Zukunft

Brett Morris ist ein Ph.D. Kandidat an der University of Washington, der Astronomie und Astrobiologie studiert. Zuvor studierte Brett Astronomie und Physik an der University of Maryland und wuchs auf Long Island in New York auf. Brett wollte schon immer Astronom werden und ist fast da! *[email protected]

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Abstrakt

Unter den Tausenden von Sternen, von denen bekannt ist, dass sie Exoplaneten beherbergen, die Planeten außerhalb unseres Sonnensystems sind, sticht ein besonders faszinierender Stern hervor. Es ist bekannt als TRAPPIST-1: ein winziger Stern von der Größe des Jupiter, der nicht einen, nicht zwei, sondern beherbergt Sieben Erdgroße Planeten! Diese Planeten sind wahrscheinlich felsige Welten, wie die Erde, und einige von ihnen könnten die richtige Oberflächentemperatur haben, damit flüssiges Wasser existieren kann, aber das hängt davon ab, ob diese Planeten Atmosphären haben oder nicht, und woraus diese Atmosphären bestehen. Astronomen arbeiten derzeit daran, herauszufinden, ob TRAPPIST-1 helle oder dunkle Flecken aufweist, die die Art und Weise beeinflussen können, wie wir seine Planeten sehen.


Haben die TRAPPIST-1-Planeten Atmosphären?

Im Februar 2017 freute sich die wissenschaftliche Gemeinschaft, als die NASA bekannt gab, dass ein naher Stern (TRAPPIST-1) ein System von nicht weniger als sieben Gesteinsplaneten habe! Seitdem haben Astronomen alle möglichen Folgebeobachtungen und Studien durchgeführt, in der Hoffnung, mehr über diese Exoplaneten zu erfahren. Insbesondere versuchten sie herauszufinden, ob einer der Planeten, die sich in der Habitable Zone (HZ) der Sterne befinden, tatsächlich bewohnbar sein könnte.

Viele dieser Studien beschäftigten sich damit, ob die TRAPPIST-1-Planeten genügend Wasser auf ihrer Oberfläche haben oder nicht. Aber ebenso wichtig ist die Frage, ob sie eine lebensfähige Atmosphäre haben oder nicht. In einer aktuellen Studie, die einen Überblick über alle bisherigen Beobachtungen auf TRAPPIST-1-Planeten bietet, stellte ein Team fest, dass diese je nach Planet wahrscheinlich eine gute Atmosphäre haben, wenn überhaupt.

Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift erschienen ist Weltraumforschung Bewertungen, wurde von einem internationalen Forscherteam des Genfer Astronomischen Observatoriums (GAO), der Universität Bern, des Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB), der Astrophysics Research Group am Imperial College London und des Laboratory for Atmospheric and Space durchgeführt Physik (LASP) an der University of Colorado.

Ursprünglich war es ein Team von Astronomen der Universität Lüttich, Belgien, das drei Exoplaneten des Systems mit Hilfe der Transit-Spektroskopie (auch bekannt als Transit-Methode) entdeckte. Bei dieser Methode überwachen Astronomen Sterne auf Einbrüche in ihrer Leuchtkraft, die das Ergebnis von Planeten sind, die relativ zum Beobachter vor dem Stern vorbeiziehen (auch bekannt als Transit).

Das System erhielt den Namen TRAPPIST-1 zu Ehren des Instruments, mit dem sie entdeckt wurden, dem Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST), das sich am La Silla-Observatorium der ESO in Chile und am Observatoire de l’Oukaïmeden in Marokko befindet. Im Februar 2017 wurde die Existenz von vier weiteren Exoplaneten bestätigt, sowie die Tatsache, dass drei mit dem HZ des Sterns umkreisten.

Seitdem gilt das TRAPPIST-1-System unter Astronomen als hervorragender Kandidat für die Exoplanetenforschung. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, die Martin Turbet (Postdoktorand am GAO ​​und Erstautor der Studie) Universe Today per E-Mail erklärt:

“Das TRAPPIST-1-System eignet sich sehr gut für Studien zur Bewohnbarkeit, da es das Planetensystem aus potenziell bewohnbaren Exoplaneten ist, das am einfachsten mit Teleskopen zu beobachten und somit zu charakterisieren ist. Dies liegt hauptsächlich daran, dass (1) das TRAPPIST-1-System sehr nahe ist (39 Lichtjahre von uns entfernt), (ii) die Planeten (häufig) vor ihrem Stern wandern und (iii) der Wirtsstern TRAPPIST-1 ist ein ultracooler Zwerg mit extrem kleinem Radius.”

Kurz gesagt, sieben Exoplaneten um einen Stern herum bedeutet, dass es viele Möglichkeiten geben wird, sie bei Transiten vor dem Stern zu beobachten. Bei diesen Gelegenheiten sind Astronomen in der Lage, Spektren vom Planeten zu sammeln, während das Licht des Sterns um den Planeten und durch seine Atmosphäre wandert (ein Vorgang, der als Transmissionsspektroskopie bekannt ist). Wissenschaftler können diese Daten dann untersuchen, um festzustellen, welche chemischen Elemente vorhanden sind.

Da TRAPPIST-1 ein Stern vom Typ M (Roter Zwerg) ist, der im Vergleich zu anderen Sternentypen massearm, kühl und relativ schwach ist, sind die Helligkeitsabfälle, die durch Planetentransite verursacht werden, vergleichsweise groß . Diese Eigenschaft macht die Durchführung der Transmissionsspektroskopie für alle Gesteinsplaneten im Orbit viel einfacher, was für alle sieben Planeten des TRAPPIST-1-Systems gilt.

Allerdings waren nicht alle bisher durchgeführten Untersuchungen sehr ermutigend. Tatsächlich wurden mehrere Studien durchgeführt, die darauf hindeuteten, dass bei einigen der TRAPPIST-1-Planeten Wasser einen großen Teil ihrer Masse ausmachen könnte (was sie zu “Wasserwelten“ macht). Darüber hinaus gibt es die Natur der Roten Zwergsterne, die anfällig für Aufflackern sind, die die Atmosphären ihrer Planeten verwüsten könnten.

Andere Studien haben jedoch ergeben, dass Exoplaneten, die Rote Zwerge umkreisen, noch bewohnbar sein könnten, solange sie über ausreichende Atmosphären und Wolkenbedeckung verfügen, um mit der Strahlung fertig zu werden. Um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass die TRAPPIST-1-Planeten solche Atmosphären hatten, betrachteten Turbet und seine Kollegen alle Daten, die bisher über das TRAPPIST-1-System erhalten wurden.

Die künstlerische Darstellung zeigt mehrere Planeten, die den ultrakühlen Roten Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Dazu gehören Transitbeobachtungen der Planeten sowie Dichtemessungen, Transmissionsspektroskopie, die Bestrahlungsumgebung des Systems, Theorien zur Planetenentstehung und -migration, die Umlaufstabilität der Planeten, Klimamodellierung und Modelle, die berücksichtigen, wie viel Gas die Planeten verlieren gegen den Weltraum (auch bekannt als Fluchtmodelle).

“Wir haben alle bestehenden Arbeiten zu diesem Thema überprüft, von Beobachtungen mit den besten verfügbaren Teleskopen (Hubble-Weltraumteleskop, Spitzer-Weltraumteleskop, Very Large Telescope usw.) bis hin zu den anspruchsvollsten theoretischen Modellen wie dreidimensionalen numerischen Klimamodellen, ” sagte Turbet.

Was sie fanden, war ziemlich ermutigend. Für den Anfang konnten sie feststellen, dass die meisten TRAPPIST-1-Planeten keine wolkenfreien Atmosphären mit niedrigem Molekulargewicht hatten – ähnlich wie die ursprüngliche Atmosphäre der Erde. Zweitens fanden sie überzeugende Beweise dafür, dass Planeten mit Atmosphären wahrscheinlich aus Elementen mit höheren Atomgewichten bestanden. Oder wie Turbet zusammenfasst:

“Wir haben festgestellt, dass es unwahrscheinlich ist, dass die sieben TRAPPIST-1-Planeten eine von Wasserstoff dominierte Atmosphäre haben. Wir schlugen auch vor, dass die Atmosphären (sofern vorhanden) der TRAPPIST-1-Planeten höchstwahrscheinlich von Kohlendioxid, Sauerstoff oder Wasser dominiert werden.”

Abbildung, die die mögliche Oberfläche von TRAPPIST-1f zeigt, einem der neu entdeckten Planeten im TRAPPIST-1-System. Credits: NASA/JPL-Caltech

Mit anderen Worten, von den sieben TRAPPIST-1-Planeten haben diejenigen mit Atmosphären wahrscheinlich diese Art, die für das Leben günstig ist (zumindest, wie wir es kennen). Das bedeutet Kohlendioxid, ein wesentlicher Klimastabilisator und notwendig für photosynthetische Organismen, Sauerstoffgas, Stickstoff und flüchtige Elemente wie Wasser. Dazu gehört auch die Wolkendecke, die nicht nur ein Hinweis auf Wasser ist, sondern auch Schutz vor Sternstrahlung bietet.

Leider können Turbet und seine Kollegen nicht mit Sicherheit sagen, dass die TRAPPIST-1-Planeten Atmosphären mit all diesen Elementen haben. Diese Studie schränkt diese Möglichkeit jedoch ein, basierend auf dem, was wir bisher über das System wissen. Am Ende muss man auf Teleskope der nächsten Generation warten, um zu wissen, ob einer der Exoplaneten in diesem System bewohnbar ist. Wie Turbet sagte:

“Missionen der nächsten Generation – insbesondere das James-Webb-Weltraumteleskop und die bodengestützten Nahinfrarot-Spektrographen – werden in der Lage sein, „schwere“ Moleküle wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan usw das Potenzial zu bestimmen, ob die TRAPPIST-1-Planeten Atmosphären haben oder nicht, und wenn ja, woraus sie bestehen.”

Der Start des JWST ist für nächstes Jahr geplant, während bodengestützte Teleskope mit Spektrographen der nächsten Generation voraussichtlich in diesem Jahrzehnt online gehen werden. Mit diesen und noch leistungsfähigeren Instrumenten, die für die Zukunft geplant sind, erwarten Astronomen, endlich mit Sicherheit zu wissen, ob es in unserer Ecke der Galaxie außerhalb der Erde Leben gibt!


TRAPPIST-1-System Ideal für Planet-hüpfendes Leben?

Exoplanetenjäger stießen Anfang dieses Jahres mit der Entdeckung von sieben Gesteinskörpern, die den Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen, auf Gold, ein Fund, der sowohl Hoffnungen weckte als auch ein neues Ziel bot, um zu verstehen, ob es anderswo im Kosmos Leben gibt. Nun schlägt ein neues Harvard-Papier vor, dass dieses bevölkerungsreiche Planetensystem auch die Leichtigkeit testen könnte, mit der das Leben zwischen den Planeten hüpfen kann, und vielleicht sogar die Unsicherheit über unseren eigenen Status als wahre Erdlinge beenden könnte.

Diese künstlerische Darstellung zeigt TRAPPIST-1 und seine Planeten, die sich in einer Oberfläche spiegeln. Bildnachweis: NASA / R. Hurt / T. Pyle.

Mehrere Jahrzehnte lang haben sich Befürworter des interplanetaren Austauschs von Leben ein weitgehend ähnliches Szenario vorgestellt – ein Meteorit oder Asteroid trifft auf einen lebenserhaltenden Planeten und schleudert Gesteine ​​mit lebenden oder fast lebenden blinden Passagieren auf.

Auf Reisen durch den interplanetaren Raum trifft ein Teil dieses Materials schließlich auf einen Nachbarplaneten, auf dem Leben oder seine Samen erfolgreich eingeführt werden.

Bekannt als Panspermie, vermuten einige, dass dieser Kontaminationsmechanismus die häufigste Methode für die Verteilung des Lebens im Universum sein könnte und sogar die Möglichkeit aufwirft, dass alles Leben auf der Erde woanders entstanden ist.

Das Panspermie-Modell ist jedoch von Unsicherheiten geplagt. Die starke Hitze, die durch Einschläge erzeugt wird, könnte ein Hindernis sein, ebenso wie die hohe Konzentration kosmischer und UV-Strahlen, die im interplanetaren Raum zu finden sind. Alles, was eine Mitfahrgelegenheit bietet, würde eine lange Zeit überleben müssen – mehrere Millionen Jahre zwischen Erde und Mars.

All diese Unsicherheiten bleiben heute trotz fortgeschrittener Simulationen und Modellierungen bestehen.

Gibt es vielleicht einen einfacheren Weg? Könnten wir die Gültigkeit der Panspermie beweisen, indem wir Beweise dafür finden, dass sie an anderer Stelle passiert?

„Wenn auf Planeten in einem einzigen System dieselben Biosignaturgase nachgewiesen werden oder wenn das spektrale Merkmal der Vegetation bei derselben Wellenlänge auftritt, könnte dies eine ‚rauchende Waffe‘ sein“, sagt Manasvi Lingam vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, der glaubt, dass solche Beobachtungen in die Fähigkeiten zukünftig geplanter Teleskope wie dem Large UV/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR) fallen könnten.

Wo also suchen? Lingam denkt, dass TRAPPIST-1 vielleicht kein schlechter Ausgangspunkt ist.

Die Entfernung zwischen den drei Planeten, die innerhalb der engen bewohnbaren Zone des Systems kreisen, ist 50-mal geringer als die von der Erde zum Mars.

Lingam und sein Kollege Avi Loeb argumentierten, dass dies die Chancen von Panspermie erhöhen sollte, indem sowohl die Menge des ausgetauschten Materials erhöht als auch die Reisezeit durch den gefährlichen interplanetaren Raum verkürzt wird.

„Auch wenn man glaubt, dass die Wahrscheinlichkeit für das Leben, wie wir es kennen, gering ist, wurde im TRAPPIST-1-System dreimal gewürfelt, was zu einer höheren Erfolgswahrscheinlichkeit führte“, sagt Loeb.

Um festere Antworten zu bekommen, haben die beiden die Mathematik gemacht – oder zumindest einen Teil davon.

In einem neuen Artikel, der auf der Website arXiv.org veröffentlicht wurde, verwenden Lingam und Loeb ein einfaches Modell der Mechanik der bewohnbaren Zone TRAPPIST-1, um zwei Fragen zu beantworten: Wenn Trümmer von einem Planeten ausgestoßen werden, wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass er eingefangen wird? von einem Nachbarn, und was wäre die durchschnittliche Reisezeit für diese Reise?

„Dies sind zwei quantifizierbare mechanische Faktoren, die erhebliche biologische Auswirkungen haben“, sagt Lingam.

Ihr Modell legt nahe, dass Panspermie im TRAPPIST-1-System um mehrere Größenordnungen wahrscheinlicher ist als im Erde-Mars-System. Tatsächlich kommen sie zu dem Schluss, dass die stärker verstopften Planetenbahnen der Planetensysteme um die meisten dieser M-Zwergsterne (die häufigsten Sterne in unserer Galaxie) bedeuten, dass der Bruchteil des Gesteins, das einen Planeten verlässt und einen anderen trifft, bis zu 1.000 Mal betragen kann höher als zwischen Erde und Mars.

Für Loeb und Lingam war die Nähe der TRAPPIST-1-Planeten nicht nur anderen M-Zwerg-Sternsystemen gemein, sondern erinnerte auch an eine Umgebung auf der Erde, nämlich an Inseln, die einer eigenen „Einwanderung“ unterliegen.

Basierend auf Modellen der Inselbiogeographie und theoretischer Ökologie legen sie nahe, dass nicht nur die Wahrscheinlichkeit von Panspermie in der Umgebung von M-Zwergen zunimmt, sondern auch die Anzahl der potenziell übertragenen Arten, was die Biodiversität erhöht.

Es gibt jedoch Einschränkungen dieses einfachen Modells.

Caleb Scharf, Direktor für Astrobiologie an der Universität von Kolumbien, warnt davor, anzunehmen, dass das Ausmaß der Auswirkungen das gleiche ist, wie wir es in unserem Sonnensystem sehen.

„In einem System wie TRAPPIST-1, in dem die Planeten so dicht gepackt sind, gibt es möglicherweise keine Population von Langzeit-Asteroiden oder kurzperiodischen Kometen, um die Einschläge zu liefern, die zum Ausstoßen von Material und zum Transfer zwischen Planeten erforderlich sind.“

Das Modell sagt auch nichts über die Wahrscheinlichkeit, dass Leben überhaupt entstanden ist, und kann nur den Bruchteil der Gesteine ​​​​quantifizieren, die einen bestimmten Planeten treffen würden, nicht die Gesamtzahl. Schließlich sagt es nichts über die komplexe chemische Biologie aus, die untermauern würde, ob das Leben die Auswirkungen der Reise überleben würde.

Trotzdem könnte eine Bestätigung der relativ optimalen Bedingungen von TRAPPIST-1 für Panspermie in Zukunft erhebliche Auswirkungen haben.

„Wenn sich Leben in diesem System bestätigt, wir aber keine Beweise dafür finden, dass Panspermie es auf einen anderen Planeten übertragen hat, wäre es schwer vorstellbar, dass dies in einem weit weniger geeigneten System wie unserem stattfindet“, sagt Lingam und versetzt die Theorien über . einen Schlag unsere eigene marsianische Herkunft.

Auch wenn jede zukünftige Entdeckung von Panspermie um TRAPPIST-1 oder ein anderes M-Zwerg-System wie „nach der Show des Oberbürgermeisters“ erscheinen mag, würde sie der Erkenntnis folgen, dass wir nicht allein im Universum sind, aber es wäre immer noch revolutionär in eigener Sache.

Diesen Mechanismus zur Verbreitung von Leben zu rechtfertigen, würde unser Verständnis davon, wie das Leben im Kosmos verteilt ist, grundlegend verändern und jede Debatte über unsere eigenen außerirdischen Ursprünge vollständig verändern.

Manasvi Lingam und Abraham Loeb. 2017. Verbesserte interplanetare Panspermie im TRAPPIST-1-System. PNAS, zur Veröffentlichung eingereicht arXiv: 1703.00878


Haben die TRAPPIST-1-Planeten Atmosphären?

Die künstlerische Darstellung zeigt mehrere Planeten, die den ultrakühlen Roten Zwergstern TRAPPIST-1 umkreisen. Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser

Im Februar 2017 freute sich die wissenschaftliche Gemeinschaft, als die NASA bekannt gab, dass ein naher Stern (TRAPPIST-1) ein System von nicht weniger als sieben Gesteinsplaneten habe. Seitdem haben Astronomen alle möglichen Folgebeobachtungen und Studien durchgeführt, in der Hoffnung, mehr über diese Exoplaneten zu erfahren. Insbesondere versuchten sie herauszufinden, ob einer der Planeten, die sich in den habitablen Zonen (HZ) der Sterne befinden, tatsächlich bewohnbar sein könnten.

Viele dieser Studien beschäftigten sich damit, ob die TRAPPIST-1-Planeten genügend Wasser auf ihrer Oberfläche haben oder nicht. Aber ebenso wichtig ist die Frage, ob sie eine lebensfähige Atmosphäre haben oder nicht. In einer aktuellen Studie, die einen Überblick über alle bisherigen Beobachtungen auf TRAPPIST-1-Planeten bietet, stellte ein Team fest, dass diese je nach Planet wahrscheinlich eine gute Atmosphäre haben, wenn überhaupt.

Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift erschienen ist Astrobiologie, wurde von einem internationalen Forscherteam des Genfer Astronomischen Observatoriums (GAO), der Universität Bern, des Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB), der Astrophysics Research Group am Imperial College London und des Laboratory for Atmospheric and Space durchgeführt Physik (LASP) an der University of Colorado.

Zunächst war es ein Team von Astronomen der Universität Lüttich, Belgien, das drei Exoplaneten des Systems mithilfe von Transitspektroskopie entdeckte. Bei dieser Methode überwachen Astronomen Sterne auf Einbrüche in ihrer Leuchtkraft, die darauf zurückzuführen sind, dass Planeten relativ zum Beobachter vor dem Stern vorbeiziehen.

Das System erhielt den Namen TRAPPIST-1 zu Ehren des Instruments, mit dem sie entdeckt wurden, dem Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST), das sich am La-Silla-Observatorium der ESO in Chile und am Observatoire de l'Oukaïmeden in Marokko befindet. Im Februar 2017 wurde die Existenz von vier weiteren Exoplaneten bestätigt sowie die Tatsache, dass drei mit dem HZ des Sterns kreisten.

Seitdem gilt das TRAPPIST-1-System unter Astronomen als hervorragender Kandidat für die Exoplanetenforschung. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, die Martin Turbet (Postdoktorand am GAO ​​und Erstautor der Studie) Universe Today per E-Mail erklärt:

„Das TRAPPIST-1-System eignet sich sehr gut für Bewohnbarkeitsstudien, da es das Planetensystem aus potenziell bewohnbaren Exoplaneten ist, das sich am einfachsten mit Teleskopen beobachten und somit charakterisieren lässt. Dies liegt vor allem daran, dass (1) System ist sehr nahe (39 Lichtjahre von uns entfernt), (ii) die Planeten bewegen sich (häufig) vor ihrem Stern und (iii) der Wirtsstern TRAPPIST-1 ist ein ultra-kühler Zwerg mit einem extrem kleinen Radius. "

Kurz gesagt, sieben Exoplaneten um einen Stern herum bedeutet, dass es viele Möglichkeiten geben wird, sie bei Transiten vor dem Stern zu beobachten. Bei diesen Gelegenheiten sind Astronomen in der Lage, Spektren vom Planeten zu sammeln, während das Licht des Sterns um den Planeten und durch seine Atmosphäre wandert (ein Vorgang, der als Transmissionsspektroskopie bekannt ist). Wissenschaftler können diese Daten dann untersuchen, um festzustellen, welche chemischen Elemente vorhanden sind.

Da TRAPPIST-1 ein Stern vom Typ M (Roter Zwerg) ist – der im Vergleich zu anderen Sternentypen massearm, kühl und relativ dunkel ist – ist die von seinen Planeten erhaltene Transmissionsspektroskopie weniger wahrscheinlich der Transitlichtquelle ausgesetzt Effekt (TLSE oder "stellare Kontamination"). Hier werden die von den Planeten erhaltenen Spektrenmessungen durch die Spektren des Sterns selbst verfälscht.

Allerdings waren nicht alle bisher durchgeführten Untersuchungen sehr ermutigend. Tatsächlich wurden mehrere Studien durchgeführt, die darauf hindeuteten, dass Wasser für einige der TRAPPIST-1-Planeten einen großen Teil ihrer Masse ausmachen könnte (was sie zu "Wasserwelten" macht). Darüber hinaus gibt es die Natur der Roten Zwergsterne, die anfällig für Aufflackern sind, die die Atmosphären ihrer Planeten verwüsten könnten.

Andere Studien haben jedoch ergeben, dass Exoplaneten, die Rote Zwerge umkreisen, noch bewohnbar sein könnten, solange sie über ausreichende Atmosphären und Wolkenbedeckung verfügen, um mit der Strahlung fertig zu werden. Um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, dass die TRAPPIST-1-Planeten solche Atmosphären hatten, betrachteten Turbet und seine Kollegen alle Daten, die bisher über das TRAPPIST-1-System erhalten wurden.

Dazu gehören Transitbeobachtungen der Planeten ebenso wie Dichtemessungen, Transmissionsspektroskopie, die Bestrahlungsumgebung des Systems, Theorien zur Planetenentstehung und -migration, die Umlaufstabilität der Planeten, Klimamodellierung und Modelle, die berücksichtigen, wie viel Gas die Planeten an Gas verlieren Raum (auch bekannt als Fluchtmodelle).

"Wir haben alle bestehenden Arbeiten zu diesem Thema überprüft, von Beobachtungen mit den besten verfügbaren Teleskopen (Hubble-Weltraumteleskop, Spitzer-Weltraumteleskop, Very Large Telescope usw.) bis hin zu den anspruchsvollsten theoretischen Modellen wie dreidimensionalen numerischen Klimamodellen." sagte Turbet.

Was sie fanden, war ziemlich ermutigend. Zunächst konnten sie feststellen, dass die meisten TRAPPIST-1-Planeten wolkenfreie Atmosphären mit niedrigem Molekulargewicht hatten, ähnlich der ursprünglichen Atmosphäre der Erde. Zweitens fanden sie überzeugende Beweise dafür, dass Planeten mit Atmosphären wahrscheinlich aus Elementen mit höheren Atomgewichten bestanden. Turbet sagte: „Wir haben festgestellt, dass die sieben TRAPPIST-1-Planeten wahrscheinlich keine wasserstoffdominierten Atmosphären haben. dominiert oder wasserdominiert."

Mit anderen Worten, von den sieben TRAPPIST-1-Planeten haben diejenigen mit Atmosphären wahrscheinlich die Art, die für das Leben günstig ist (zumindest wie wir es kennen). Das bedeutet Kohlendioxid, ein wesentlicher Klimastabilisator, der für photosynthetische Organismen, Sauerstoffgas, Stickstoff und flüchtige Elemente wie Wasser notwendig ist. Dazu gehört auch die Wolkendecke, die nicht nur ein Hinweis auf Wasser ist, sondern auch Schutz vor Sternstrahlung bietet.

Leider können Turbet und seine Kollegen nicht mit Sicherheit sagen, dass die TRAPPIST-1-Planeten Atmosphären mit all diesen Elementen haben. Diese Studie schränkt diese Möglichkeit jedoch ein, basierend auf dem, was wir bisher über das System wissen. Am Ende muss man auf Teleskope der nächsten Generation warten, um zu wissen, ob einer der Exoplaneten in diesem System bewohnbar ist. Turbet sagte: „Missionen der nächsten Generation – insbesondere das James-Webb-Weltraumteleskop und die bodengestützten Nahinfrarot-Spektrographen – werden in der Lage sein, ‚schwere‘ Moleküle wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan usw. zu erkennen könnte das Potenzial haben, festzustellen, ob die TRAPPIST-1-Planeten Atmosphären haben oder nicht, und wenn ja, woraus sie bestehen."

Der Start des JWST ist für nächstes Jahr geplant, während bodengestützte Teleskope, die mit Spektrographen der nächsten Generation ausgestattet sind, voraussichtlich in diesem Jahrzehnt online gehen werden. Mit diesen und noch leistungsfähigeren Instrumenten, die für die Zukunft geplant sind, erwarten Astronomen, endlich mit Sicherheit zu wissen, ob es in unserer Ecke der Galaxie außerhalb der Erde Leben gibt.


Neue Hinweise auf Zusammensetzungen von TRAPPIST-1-Planeten

Die sieben erdgroßen Planeten von TRAPPIST-1 bestehen alle größtenteils aus Gestein, wobei einige laut einer neuen Studie das Potenzial haben, mehr Wasser als die Erde zu speichern.

Die sieben erdgroßen Planeten von TRAPPIST-1 bestehen alle größtenteils aus Gestein, wobei einige das Potenzial haben, mehr Wasser als die Erde zu halten, so eine neue Studie, die in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics veröffentlicht wurde. Die Dichte der Planeten, die jetzt viel genauer bekannt ist als zuvor, lässt vermuten, dass einige Planeten bis zu 5 Prozent ihrer Masse in Wasser haben könnten – das ist 250-mal mehr als die Ozeane auf der Erde.

Die Form, die Wasser auf TRAPPIST-1-Planeten annehmen würde, würde von der Wärmemenge abhängen, die sie von ihrem Stern erhalten, der nur 9 Prozent so massiv ist wie unsere Sonne. Planeten, die dem Stern am nächsten sind, enthalten eher Wasser in Form von atmosphärischem Dampf, während die weiter entfernten Planeten Wasser auf ihrer Oberfläche als Eis gefroren haben. TRAPPIST-1e ist der felsigste Planet von allen, aber es wird immer noch angenommen, dass er das Potenzial hat, flüssiges Wasser aufzunehmen.

Astronomen haben mit dem Hubble-Weltraumteleskop die erste spektroskopische Untersuchung erdgroßer Planeten in der bewohnbaren Zone des TRAPPIST-1-Systems durchgeführt. Hubble enthüllt, dass zumindest die inneren fünf Planeten keine geschwollenen, wasserstoffreichen Atmosphären enthalten, die denen von Gasplaneten wie Neptun ähnlich sind. Dies bedeutet, dass die Atmosphären flacher und reicher an schwereren Gasen wie Kohlendioxid, Methan und Sauerstoff sein können.

"Wir wissen jetzt mehr über TRAPPIST-1 als jedes andere Planetensystem außer unserem", sagte Sean Carey, Manager des Spitzer Science Center am Caltech/IPAC in Pasadena, Kalifornien, und Mitautor der neuen Studie. "Die verbesserten Dichten in unserer Studie verfeinern unser Verständnis der Natur dieser mysteriösen Welten dramatisch."

Seit die Ausdehnung des Systems im Februar 2017 enthüllt wurde, haben Forscher hart daran gearbeitet, diese Planeten besser zu charakterisieren und mehr Informationen über sie zu sammeln. Die neue Studie bietet bessere Schätzungen denn je für die Dichten der Planeten.

TRAPPIST-1 ist nach dem Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST) in Chile benannt, das zwei der sieben Planeten entdeckte, die wir heute kennen – 2016 angekündigt. Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA in Zusammenarbeit mit bodengestützten Teleskopen bestätigte diese Planeten und entdeckte die anderen fünf im System.

Seitdem hat das Kepler-Weltraumteleskop der NASA auch das TRAPPIST-1-System beobachtet, und Spitzer hat ein Programm mit 500 zusätzlichen Stunden TRAPPIST-1-Beobachtungen begonnen, das im März abgeschlossen wird. Diese neue Datensammlung half den Studienautoren, ein klareres Bild des Systems als je zuvor zu zeichnen – obwohl es noch viel mehr über TRAPPIST-1 zu lernen gibt.

Die TRAPPIST-1-Planeten drängen sich so eng aneinander, dass eine Person, die auf der Oberfläche einer dieser Welten steht, einen spektakulären Blick auf die benachbarten Planeten am Himmel hat. Diese Planeten erscheinen einem Beobachter auf der Erde manchmal größer als der Mond. Sie können auch durch die Gezeiten gesperrt sein, was bedeutet, dass die gleiche Seite des Planeten immer dem Stern zugewandt ist, wobei jede Seite Tag und Nacht ständig ist. Obwohl die Planeten alle näher an ihrem Stern sind als Merkur an der Sonne, ist TRAPPIST-1 ein so cooler Stern, dass einige seiner Planeten theoretisch immer noch flüssiges Wasser enthalten könnten.

In der neuen Studie erstellten Wissenschaftler um Simon Grimm von der Universität Bern in der Schweiz Computermodelle, um die Planeten basierend auf allen verfügbaren Informationen besser zu simulieren. Für jeden Planeten mussten die Forscher ein Modell entwickeln, das auf den neu gemessenen Massen, den Umlaufzeiten und einer Vielzahl anderer Faktoren basiert - was es zu einem äußerst schwierigen "35-dimensionalen Problem" macht, sagte Grimm. Es dauerte fast das ganze Jahr 2017, um neue Techniken zu erfinden und Simulationen durchzuführen, um die Zusammensetzung der Planeten zu charakterisieren.

Diese Grafik zeigt in der oberen Reihe Künstlerkonzepte der sieben Planeten von TRAPPIST-1 mit ihren Umlaufzeiten, Entfernungen von ihren Sternen, Radien, Massen, Dichten und Oberflächengravitation im Vergleich zu denen der Erde. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
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Wie könnten diese Planeten aussehen?

Es ist unmöglich, genau zu wissen, wie die einzelnen Planeten aussehen, da sie so weit entfernt sind. In unserem eigenen Sonnensystem haben Mond und Mars fast die gleiche Dichte, ihre Oberflächen sehen jedoch völlig unterschiedlich aus.

„Dichten sind zwar wichtige Hinweise auf die Zusammensetzung der Planeten, sagen jedoch nichts über die Bewohnbarkeit aus. Unsere Studie ist jedoch ein wichtiger Schritt vorwärts, da wir weiterhin untersuchen, ob diese Planeten Leben unterstützen könnten“, sagte Brice-Olivier Demory, Co-Autor an der Universität Bern.

Basierend auf den verfügbaren Daten sind hier die besten Vermutungen der Wissenschaftler über das Aussehen der Planeten:

TRAPPIST-1b, der innerste Planet, hat wahrscheinlich einen felsigen Kern, der von einer viel dickeren Atmosphäre als die der Erde umgeben ist. TRAPPIST-1c hat wahrscheinlich auch ein felsiges Inneres, aber mit einer dünneren Atmosphäre als Planet b. TRAPPIST-1d ist der leichteste der Planeten – etwa 30 Prozent der Masse der Erde. Wissenschaftler sind sich unsicher, ob er eine große Atmosphäre, einen Ozean oder eine Eisschicht hat - alle drei würden dem Planeten eine "Hülle" aus flüchtigen Substanzen geben, die für einen Planeten seiner Dichte sinnvoll wäre.

Wissenschaftler waren überrascht, dass TRAPPIST-1e der einzige Planet im System ist, der etwas dichter als die Erde ist, was darauf hindeutet, dass er einen dichteren Eisenkern als unser Heimatplanet haben könnte. Wie TRAPPIST-1c hat es nicht unbedingt eine dicke Atmosphäre, einen Ozean oder eine Eisschicht – was diese beiden Planeten im System unterscheidet. Es ist mysteriös, warum TRAPPIST-1e eine viel felsigere Zusammensetzung hat als der Rest der Planeten. In Bezug auf Größe, Dichte und Strahlungsmenge, die er von seinem Stern erhält, ist er der Erde am ähnlichsten.

TRAPPIST-1f, g und h sind weit genug vom Wirtsstern entfernt, dass Wasser auf diesen Oberflächen als Eis gefroren sein könnte. If they have thin atmospheres, they would be unlikely to contain the heavy molecules of Earth, such as carbon dioxide.

"It is interesting that the densest planets are not the ones that are the closest to the star, and that the colder planets cannot harbor thick atmospheres," said Caroline Dorn, study co-author based at the University of Zurich, Switzerland.

This graph presents known properties of the seven TRAPPIST-1 exoplanets (labeled b thorugh h), showing how they stack up to the inner rocky worlds in our own solar system. Credit: NASA/JPL-Caltech
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Scientists are able to calculate the densities of the planets because they happen to be lined up such that when they pass in front of their star, our Earth- and space-based telescopes can detect a dimming of its light. This is called a transit. The amount by which the starlight dims is related to the radius of the planet.

To get the density, scientists take advantage of what are called "transit timing variations." If there were no other gravitational forces on a transiting planet, it would always cross in front of its host star in the same amount of time -- for example, Earth orbits the Sun every 365 days, which is how we define one year. But because the TRAPPIST-1 planets are packed so close together, they change the timing of each other's "years" ever so slightly. Those variations in orbital timing are used to estimate the planets' masses. Then, mass and radius are used to calculate density.

This illustration shows the seven Earth-size planets of TRAPPIST-1. The image does not show the planets' orbits to scale, but highlights possibilities for how the surfaces of these intriguing worlds might look. Image Credit: NASA/JPL-Caltech
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The next step in exploring TRAPPIST-1 will be NASA's James Webb Space Telescope, which will be able to delve into the question of whether these planets have atmospheres and, if so, what those atmospheres are like. A recent study using NASA's Hubble Space Telescope found no detection of hydrogen-dominated atmospheres on planets TRAPPIST-1d, e and f -- another piece of evidence for rocky composition -- although the hydrogen-dominated atmosphere cannot be ruled out for g.

Illustrations of these worlds will change as ongoing scientificinvestigations home in on their properties.

"Our conceptions of what these planets look like today may change dramatically over time," said Robert Hurt, senior visualization scientist at the Spitzer Science Center. "As we learn more about these planets, the pictures we make will evolve in response to our improved understanding.


The seven rocky planets of TRAPPIST-1 seem to have very similar compositions

A new international study led by astrophysicist Eric Agol from the University of Washington has measured the densities of the seven planets of the exoplanetary system TRAPPIST-1 with extreme precision, the values obtained indicating very similar compositions for all the planets. This fact makes the system even more remarkable and helps to better understand the nature of these fascinating worlds. This study has just been published in the Planetary Science Journal.

The TRAPPIST-1 system is home to the largest number of planets similar in size to our Earth ever found outside our solar system. Discovered in 2016 by a research team led by Michaël Gillon, astrophysicist at the University of Liège, the system offers an insight into the immense variety of planetary systems that probably populate the Universe. Since their detection, scientists have studied these seven planets using multiple space (NASA's Kepler and Spitzer telescopes) and ground-based telescopes (TRAPPIST and SPECULOOS in particular). The Spitzer telescope alone, managed by NASA's Jet Propulsion Laboratory, provided more than 1,000 hours of targeted observations of the system before being decommissioned in January 2020.

Hours of observations that enabled to refine the information we have on the exoplanetary system. "Since we can't see the planets directly, we analyze in detail the variations of the apparent brightness of their star as they 'transit' it, i.e. as they passes in front of it," explains Michaël Gillon." Previous studies had already enabled astronomers to take precise measurements of the masses and diameters of the planets, which led to the determination that they were similar in size and mass to our Earth and that their compositions must have been essentially rocky. "Our new study has greatly improved the precision of the densities of the planets, the measurements obtained indicating very similar compositions for these seven worlds," says Elsa Ducrot, a doctoral student at ULiège. "This could mean that they contain roughly the same proportion of materials that make up most rocky planets, such as iron, oxygen, magnesium and silicon, which make up our planet. "After correcting for their different masses, the researchers were able to estimate that they all have a density of around 8% less than the Earth's, a fact that could have an impact on their compositions.

A different recipe

The authors of the study put forward three hypotheses to explain this difference in density with our planet. The first involves a composition similar to that of the Earth, but with a lower percentage of iron (about 21% compared to the 32% of the Earth). Since most of the iron in the Earth's composition is found in the Earth's core, this iron depletion of the TRAPPIST-1 planets could therefore indicate cores with lower relative masses. The second hypothesis implies oxygen-enriched compositions compared to that of our planet. By reacting with iron, oxygen would form iron oxide, better known as 'rust'. The surface of Mars gets its red colour from iron oxide, but like its three terrestrial sisters (Earth, Mercury, and Venus), it has a core of unoxidised iron. However, if the lower density of the TRAPPIST-1 planets was entirely due to oxidised iron, then the planets would be 'rusted to the heart' and may not have a real core, unlike the Earth. According to Eric Agol, an astrophysicist at the University of Washington and lead author of the new study, the answer could be a combination of both scenarios -- less iron in general and some oxidised iron.

The third hypothesis put forward by the researchers is that the planets are enriched with water compared to the Earth. This hypothesis would agree with independent theoretical results indicating a formation of the TRAPPIST-1 planets further away from their star, in a cold, ice-rich environment, followed by internal migration. If this explanation is correct, then water could account for about 5% of the total mass of the four outer planets. In comparison, water accounts for less than one tenth of 1% of the total mass of the Earth. The three inner planets in TRAPPIST-1, located too close to their stars for water to remain liquid under most circumstances, would need hot, dense atmospheres like on Venus, where water could remain bound to the planet in the form of vapour. But according to Eric Agol, this explanation seems less likely because it would be a coincidence that all seven planets have just enough water present to have such similar densities.

"The night sky is full of planets, and it is only within the last 30 years that we have been able to begin to unravel their mysteries," rejoices Caroline Dorn, astrophysicist at the University of Zurich and co-author of the article. "The TRAPPIST-1 system is fascinating because around this unique star we can learn about the diversity of rocky planets within a single system. And we can also learn more about a planet by studying its neighbours, so this system is perfect for that.


New research shows that the TRAPPIST-1 planets are even more Earth-like than we thought

Researchers from Bern University have performed the most accurate calculation of the density of the seven planets around the star TRAPPIST-1, making them the best-studied planets outside our own solar system. They found that all the planets are rocky and contain 5% water — much more than what Earth has.

An artistic depiction of what the seven planets might look like, based on available information about their size, density, and distance to the star. Credits: NASA/JPL/Caltech.

TRAPPIST-1, also technically designated as 2MASS J23062928-0502285, is a seemingly inconspicuous ultra-cool red dwarf star. However, astronomers have taken a special interest in it, as it seemingly harbors seven Earth-like planets, several of which have the potential to host life. Now, a new study offers an unprecedented view into the physical and chemical characteristics of these planets.

In order to assess their density, astronomers took advantage of something called “transit timing variations,” a method which has also been used to detect planets. Essentially, when a planet passes in front of a star, it causes a dip in luminosity. By studying that dip, you can identify a planet and its size. But astronomers went even deeper.

The TRAPPIST planets are located very close to each other — if you had an observer on one of them, they’d have a pretty awesome view of at least a couple other planets. But this also means that they attract each other gravitationally. If a single planet were to rotate around the star, or if the planets were too far apart for gravity to make a significant difference, a planet would always cross in front of its host star at consistent intervals of time. But because they’re so closely packed, they change the timing of each other’s “years” ever so slightly. This allowed astronomers to deduce the mass of the planets with an uncertainty less than 10%, and with the size and the mass, they calculated the density.

“We now know more about TRAPPIST-1 than any other planetary system apart from our own,” said Sean Carey, manager of the Spitzer Science Center at Caltech/IPAC in Pasadena, California, and co-author of the new study. “The improved densities in our study dramatically refine our understanding of the nature of these mysterious worlds.”

But while the planets might be similar to Earth, TRAPPIST-1 is extremely small by stellar standards, being only 9 percent as massive as our Sun. In turn, this means that it’s much cooler than our star, and in order for the planets to have Earth-like temperatures, they’d first need to be much closer to the star. This has indeed been confirmed by observation, as several of the planets lie closer to TRAPPIST-1 than Mercury to the Sun. In fact, a couple of them are actually much more illuminated than the Earth, while another planet, Trappist-d, matches Earth near-perfectly in terms of illumination.

This graph presents known properties of the seven TRAPPIST-1 exoplanets (labeled b through h), showing how they compare to the inner rocky worlds in our own solar system. Credit: NASA/JPL-Caltech.

The fact that the planets have up to 5% water is also an intriguing sign, especially considering that on Earth, water accounts for only 0.02% of the planet’s mass.

However, just because these planets have the right density, structure, and distance from their star, doesn’t make them habitable. It makes them potentially habitable, which is a big distinction.

“Densities, while important clues to the planets’ compositions, do not say anything about habitability. However, our study is an important step forward as we continue to explore whether these planets could support life,” said Brice-Olivier Demory, co-author at the University of Bern.

This illustration shows the seven Earth-size planets of TRAPPIST-1. The image does not show the planets’ orbits to scale, but highlights possibilities for how the surfaces of these intriguing worlds might look. Credit: NASA/JPL-Caltech.

For instance, we have no idea how their surfaces might look like. Mars and the Moon have quite similar densities, but they look completely different. It’s tantalizing to think what the surface of these planets might be like, but for now, we just don’t have enough information to make any assumption. The next step will be using NASA’s James Webb Space Telescope to figure out whether these planets have atmospheres and if yes, what these atmospheres are like.

“Our conceptions of what these planets look like today may change dramatically over time,” said Robert Hurt, senior visualization scientist at the Spitzer Science Center. “As we learn more about these planets, the pictures we make will evolve in response to our improved understanding.

Journal Reference: S. Grimm et al.: The nature of the TRAPPIST-1 exoplanets, Astronomy and Astrophysics, 05.02.2018, in press.


Stellar characteristics [ edit | Quelle bearbeiten]

TRAPPIST-1 is an ultra-cool dwarf star of spectral class M8.0±0.5 that is approximately 8% the mass of and 11% the radius of the Sun. Although it is slightly larger than Jupiter, it is about 84 times more massive. High-resolution optical spectroscopy failed to reveal the presence of lithium, suggesting it is a very low-mass main-sequence star, which is fusing hydrogen and has depleted its lithium, i.e., a red dwarf rather than a very young brown dwarf. It has a temperature of 2,516 K (2,243 °C 4,069 °F), and its age has been estimated to be in the range of 3 to 8 Gyr. In comparison, the Sun has a temperature of 5,778 K (5,505 °C 9,941 °F) and an age of about 4.6 Gyr. Observations with the Kepler K2 extension for a total of 79 days revealed starspots and infrequent weak optical flares at a rate of 0.38 per day (30-fold less frequent than for active M6-M9 dwarfs) a single strong flare appeared near the end of the observation period. The observed flaring activity possibly changes the atmospheres of the orbiting planets on a regular basis, making them less suitable for life. The star has a rotational period of 3.3 days.

High-resolution speckle images of TRAPPIST-1 were obtained and revealed that the M8 star has no companions with a luminosity equal to or brighter than a brown dwarf. This determination that the host star is single confirms that the measured transit depths for the orbiting planets provide a true value for their radii, thus proving that the planets are indeed Earth-sized.

Owing to its low luminosity, the star has the ability to live for up to 12 trillion years. It is metal-rich, with a metallicity ([Fe/H]) of 0.04, or 109% the solar amount. Its luminosity is 0.05% of that of the Sun (L☉), most of which is emitted in the infrared spectrum, and with an apparent magnitude of 18.80 it is not visible to the naked eye from the Earth.


An Update on the Potential Habitability of TRAPPIST-1. No Aliens yet, but We’ve Learned a lot.

One year ago, I wrote an article about the remarkable discovery of the TRAPPIST-1 planetary system, a system of seven temperate terrestrial planets orbiting an ultra-cool red dwarf star. This was an enormous astronomical discovery because these low-mass stars are the most numerous ones in our galaxy, and the discovery of potentially habitable planets around one of them led many people to speculate about the existence of life there and elsewhere in our galaxy around similar stars.

This announcement also inspired a lot of additional studies by astronomers worldwide, who have used additional instruments and run complex models to better understand this planetary system and its potential for hosting life.
One year later, it seems to me that the time is right to give you an update on what we’ve learned about this planetary system, which is located only 41 light-years from Earth.

Better Understanding of the Planetary System
Between December 2016 and March 2017, additional data on TRAPPIST-1 were collected using the Kepler spacecraft in the K2 program. Kepler was designed to measure transits of exoplanets, but observations of TRAPPIST-1 were a huge challenge even for this remarkable planet-hunting spacecraft because TRAPPIST-1 is very faint in visible light. During its lifetime, astronomers have learned a lot about Kepler’s many capabilities, including better ways to reach the sensitivity necessary to detect the signatures of TRAPPIST-1-type transits (typically 0.1% the flux of the star). The authors of an article published in May 2017 in Natur were able to constrain the orbital period of the outermost planet, TRAPPIST-1h (P=18.766 days). Their work shows that the seven planets are, as suspected, in three-body resonances in a complex chain that suggests good stability over a very long period of time.

Keep in mind that we do not see the planets but detect only their shadow using the transit technique that gives us a good estimate of a planet’s size and its orbit. However, to truly understand the nature of a planet, we also need to determine its density, and hence its mass. In an effort to estimate mass in multiple systems, astronomers have used a technique called transit-timing variations (or TTV). This technique consists of measuring a small shift in the timing of a transit caused by gravitational interaction with the other planets in the system. Using a new algorithm and a complete set of data, including data from both TRAPPIST and K2, a team of scientists has significantly improved the density measurements of the TRAPPIST-1 planets, which range from 0.6 to 1.0 times the density of Earth, or a density measurement similar to what we see in the terrestrial planets in our solar system. If we also consider the amount of light we receive from these planets, TRAPPIST-1 e is probably the most Earth-like one in the system. A paper published in February 2018 also included a discussion of the interior of these planets and suggested that TRAPPIST-1 c and e have large rocky interiors and -b, -d, -f, -g should have thick atmospheres, oceans, or icy crusts.

Figure 2: Revised density and incident flux received by the TRAPPIST-1 planets (in red) compared to our solar system’s terrestrial planets (from Grimms et al. 2018)

To understand a planetary system, we need accurate information about its most massive object, its star. Stellar astronomers have improved their knowledge of TRAPPIST-1’s star and now estimate its age to be between 5 and 10 billion years, which makes it older than our sun. This estimate is based on various methods, including the study of its activity, its rotation rate, and its location in the Milky Way. Its mass has also been revised to 9% the mass of our sun, which slightly affects the distance of the planet from the host star.

While observing the TRAPPIST system, astronomers have also detected strong star- like flares (seen, for instance, toward the end of the K2 observations). UV monitoring by the Hubble Space Telescope and by XMM/Newton combined with modeling revealed that the inner planets may have lost a large amount of water, but the outermost ones probably retain most of theirs. The complexity of these outgassing models and interactions with the stellar wind, when combined with planetary masses, are key to understand the nature of TRAPPIST-1’s planets and their potential habitability.

Dynamicists, who represent another important astronomical subdiscipline, have also taken an interest in this complex system. With seven planets surrounding a low-mass star, one can legitimately wonder about system stability. Their models show us that the system can be stable over billions of years, which is outstanding news if you want life to flourish there.

New Experiments and Innovative Ideas
We now have unambiguous proof of the existence of the TRAPPIST-1 planets, and we know about their orbits, their size, and their mass, but a lot still remains to be learned before we can claim that they have liquid water on their surface, and we need to know far more than that before we can conclude that these planets might be habitable, or inhabited.

One of the key challenges to computing the surface temperature of a planet is the existence and composition of its atmosphere. The atmosphere can act like a blanket, warming up the planetary surface. Using the Hubble Space Telescope, astronomers have attempted to detect the presence of rich hydrogen-dominated atmospheres around TRAPPIST-1 planets d, e, f, and g. Multi-color transit events taken in the near-infrared have ruled out such an atmosphere for planets d, e, and f. A H2-dominated atmosphere would lead to high surface temperatures and pressures, which are incompatible with the presence of liquid water. This negative detection suggests that these planets could have an Earth-like atmosphere with a temperate surface climate, which is more good news if, like me, you’re interested in habitability.

Figure 3: The Hubble observations revealed that the planets do not have hydrogen-dominated atmospheres. The flatter spectrum shown in the lower illustration indicates that Hubble did not spot any traces of water or methane, which are abundant in hydrogen-rich atmosphere (Credit: NASA, ESA and Z. Levy (STScI)

If life appeared on one TRAPPIST-1 planet at a time when it was hospitable, what are the chances that it spread throughout the entire system? Two astronomers discussed this hypothesis in a short article published in June 2017 and used a simple model for lithopanspermia (the transfer of organisms in rocks from one planet to another) to discover that the likelihood of that happening is orders of magnitude higher than for the Earth-to-Mars system. In compact TRAPPIST-1, the probability of impact is higher and the transit time between planets is shorter, which makes contamination among planets more likely. They concluded that the probably of abiogenesis (the appearance of life) is enhanced for TRAPPIST-1. Of course, this is pure speculation based on physical considerations that need to be backed up by observations, but it reinforced the importance of finding such compact mini-planetary systems elsewhere the galaxy.

Life can exist on moons as well as planets, and a moon can be a significant contributor to the presence of life because its sheer presence can stabilize the planet’s axis of rotation and create tidal pools that may be necessary for complex molecules to form and interact. No moons have been detected around the TRAPPIST-1 planets, even though the Spitzer observations were able to detect a moon as large as Earth’s. Theoretical study shows that the inner planets (-b to -e) are unlikely to have small moons because of the proximity of their star and other planets. We are not yet able to detect the presence of a small moon circling one of the outermost planets, and will not be able to detect one without using bigger telescopes in space and on the ground.

Induction heating is a process used on Earth to melt metal. It occurs when we change the magnetic field in a conducting medium, which then dissipates the energy through heat. Astronomers have known for a few years that M-type stars like TRAPPIST-1 have a strong magnetic field. A group of astronomers studied the effect of such a strong magnetic field on the interior of planets in a system tilted with respect to the magnetic field of their star. Assuming a planetary interior and composition similar to Earth, they determined that the three innermost planets (-b, -c, -d) should experience enhanced volcanic activity and outgassing, and in some extreme cases have developed a magma ocean with plate tectonics and large-scale earthquakes, comparable to Io, a satellite of Jupiter. Again, this result is extremely model-dependent since we don’t yet have a clear idea of the internal composition of those planets, which will directly affect the strength of the induction heating. However, if they are truly Earth-like in composition, they could be a hellish version of our own planet.

Other scientists have also discussed the existence of significant plate tectonics and intense earthquakes in this system due to tidal stress introduced by planet-to-star and planet-to-planet interactions. If the activity is right, some of the TRAPPIST-1 planets could indeed be similar to Earth with the equivalent of continental plates, ocean floors, and active volcanoes, but one day we will need to take a picture to confirm this.

What’s next?
I have summarized some of the latest articles published over the past two years about the wonderful TRAPPIST-1 system. This list is not exhaustive and I probably missed some interesting ideas and new hypotheses about this complex system.
But one thing is crystal-clear: My readings have left me (and a lot of other people) stoked about what we might find from additional observations with large ground-based telescopes, including an Extremely Large Telescope (like the TMT, ELT, or GMT), or the James Webb Space Telescope (JWST). Each of these facilities is needed to constrain our models and refine our understanding of this system. For instance, long-term monitoring of the system with these facilities will place further constraints on the presence of moons in the system. Using the accurate photometry made possible by JWST, astronomers hope to constrain planetary masses and orbits to a great accuracy, derive the composition of their atmospheres, construct crude temperature maps of all of the planets in the TRAPPIST-1 system.
After 2020, if everything goes well with JWST and if the space telescope provides the superb data that we expect, we might have a crude map of the TRAPPIST-1 planets, similar to the rough image of Pluto made with Hubble Space Telescope and later validated by the New Horizons Spacecraft.

Figure 4: A comparison between images of Pluto obtained by New Horizons by direct imaging and the Hubble Space Telescope by lightcurve reconstruction. Credit: NASA (Picture combined and labeled by S. Hariri)

In less than two decades, nearby planetary systems like TRAPPIST-1 will become our cosmic backyard, and if everything goes as planned with missions like TESS, PLATO, ARIEL, and JWST as well as the ELTs, we will soon learn the secrets of those exotic worlds which, I am convinced, will surprise us by their diversity, just as our own solar system has surprised us over the past two decades, surprises us today, and will surely continue to surprise us in the future.
Clear skies,

If you want to learn more about the TRAPPIST-1 system, check out some of those articles (all available for free on ArXiV).

Boss, Alan P., Alycia J. Weinberger, Sandra A. Keiser, Tri L. Astraatmadja, Guillem Anglada-Escude, and Ian B. Thompson. 2017. Astrometric Constraints on the Masses of Long-Period Gas Giant Planets in the TRAPPIST-1 Planetary System. The Astronomical Journal, Volume 154, Issue 3, article id. 103, 6 pp. (2017). 154. doi:10.3847/1538-3881/aa84b5.

Bourrier, V., J. de Wit, E. Bolmont, V. Stamenkovic, P. J. Wheatley, A. J. Burgasser, L. Delrez, et al. 2017. Temporal evolution of the high-energy irradiation and water content of TRAPPIST-1 exoplanets. The Astronomical Journal, Volume 154, Issue 3, article id. 121, 17 pp. (2017). 154. doi:10.3847/1538-3881/aa859c.

Burgasser, Adam J., and Eric E. Mamajek. 2017. On the Age of the TRAPPIST-1 System. The Astrophysical Journal, Volume 845, Issue 2, article id. 110, 10 pp. (2017). 845. doi:10.3847/1538-4357/aa7fea. de Wit, J., H. R. Wakeford, N. Lewis, L. Delrez, M. Gillon, F. Selsis, J. Leconte, et al. 2018. Atmospheric reconnaissance of the habitable-zone Earth-sized planets orbiting TRAPPIST-1. Nature Astronomy, Volume 2, p. 214-219 2: 214–219. doi:10.1038/s41550-017-0374-z.

Grimm, S, B-O Demory, M Gillon, C Dorn, E Agol, A Burdanov, L Delrez, et al. 2018. The nature of the TRAPPIST-1 exoplanets. Astronomie und Astrophysik. doi:10.1051/0004-6361/201732233.

Kane, Stephen R., and Stephen R. 2017. Worlds Without Moons: Exomoon Constraints for Compact Planetary Systems. The Astrophysical Journal Letters, Volume 839, Issue 2, article id. L19, 4 pp. (2017). 839. doi:10.3847/2041-8213/aa6bf2.
Kislyakova, K. G., L. Noack, C. P. Johnstone, V. V. Zaitsev, L. Fossati, H. Lammer, M. L. Khodachenko, P. Odert, and M. Guedel. 2017. Magma oceans and enhanced volcanism on TRAPPIST-1 planets due to induction heating. Nature Astronomy, Vol. 1, p. 878-885 (2017) 1: 878–885. doi:10.1038/s41550-017-0284-0.

Lingam, Manasvi, and Abraham Loeb. 2017. Enhanced interplanetary panspermia in the TRAPPIST-1 system. Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 114, issue 26, pp.6689-6693 114: 6689–6693. doi:10.1073/pnas.1703517114.

Luger, Rodrigo, Marko Sestovic, Ethan Kruse, Simon L. Grimm, Brice-Olivier Demory, Eric Agol, Emeline Bolmont, et al. 2017. A seven-planet resonant chain in TRAPPIST-1. Nature Astronomy, Volume 1, id. 0129 (2017). 1. doi:10.1038/s41550-017-0129.

Tamayo, Daniel, Hanno Rein, Cristobal Petrovich, and Norman Murray. 2017. Convergent Migration Renders TRAPPIST-1 Long-lived. The Astrophysical Journal Letters, Volume 840, Issue 2, article id. L19, 6 pp. (2017). 840. doi:10.3847/2041-8213/aa70ea.

Van Grootel, Valerie, Catarina S. Fernandes, Michaël Gillon, Emmanuel Jehin, Jean Manfroid, Richard Scuflaire, Adam J. Burgasser, et al. 2017. Stellar parameters for TRAPPIST-1. The Astrophysical Journal, Volume 853, Issue 1, article id. 30, 7 pp. (2018). 853. doi:10.3847/1538-4357/aaa023.

Zanazzi, J. J., and Amaury Triaud. 2017. Initiation of Plate Tectonics on Exoplanets with Significant Tidal Stress. eprint arXiv:1711.09898.