Jak długo planety TRAPPIST-1 znajdują się w strefie nadającej się do zamieszkania?

Planety krążące wokół TRAPPIST-1 krążą wokół swojej gwiazdy znacznie bliżej niż Ziemskie orbity Sol. Ponieważ jednak TRAPPIST-1 jest chłodnym brązowym karłem, niektóre planety znajdują się w „strefie zamieszkiwalnej”, w której temperatura nie byłaby zbyt ekstremalna dla życia, jakie znamy.

Zastanawiam się, jak długo te planety były w strefie zamieszkiwalnej? Strona wikipedia mówi, że TRAPPIST-1 jest starszy niż 1 Gyr. Ale ile czasu to był zimny brązowy karzeł?

Innymi słowy, skoro abiogeneza życia i ewolucja żywych organizmów zależy od czasu, ile czasu życie miało szansę rozwinąć się w strefie życia gwiazdy?

W przypadku tego pytania nie martwię się chemią ani innymi cechami samych planet.

exoplanet trappist-1

— użytkownik151841
źródło

TRAPPIST-1 uformowany jako chłodny brązowy karzeł, i tak już całe jego życie. To powiedziawszy, planety nie zawsze były na orbitach, które obecnie zajmują.

— Phiteros

TRAPPIST-1 to czerwony karzeł typu M. To nie jest brązowy karzeł; termin „superfajny karzeł” obejmuje zarówno obiekty klasy M, jak i L i dlatego nie jest ograniczony do żadnego z nich.

— HDE 226868

@Phiteros Temperatura brązowego karła nie jest głównym problemem (choć w przeszłości było cieplej). Głównym problemem jest to, że jasność była w przeszłości znacznie wyższa, tak że wszystkie planety były kiedyś bliżej strefy życia niż kiedyś.

— Rob Jeffries

@ HDE226868 Nie można wykluczyć, że Trappist-1 jest brązowym karłem. Masę podano jako , co pozwala być gwiazdą lub brązowym karłem. I myślę, że pasek błędów jest absurdalnie optymistyczny.

0.080 \pm 0.009 M_{⊙}

$0.080\pm 0.009 M_{\odot}$

— Rob Jeffries

@RobJeffries Przepraszam; Automatycznie założyłem, że tak nie jest. Nie widziałem niczego, co sugerowałoby, że był to brązowy karzeł.

— HDE 226868

Jasność Trappist-1 szacuje się na , ale nie zawsze tak było. $5.25\times 10^{-4}\ L_{\odot}$

Jasność brązowego karła maleje z czasem i to mierzona jasność (wraz z typem spektralnym) pozwala oszacować masę i dolną granicę wieku za pomocą gwiezdnych modeli ewolucyjnych.

Jeśli spojrzę na Baraffe i in. (2015) o niskiej masie modele ewolucyjne i spojrzeć na umiejscowienie jasności w funkcji czasu dla gwiazdy takiej jak Trappist-1, widać, że obecna jasność implikuje wiek milionów lat. Ale jeśli cofniesz się w czasie, gwiazda będzie jaśniejsza i z tego powodu planety, które obecnie znajdują się w strefie nadającej się do zamieszkania (mówi się, że to planety e, f, g), nie były tak w przeszłości. $0.08\ M_{\odot}$ $\sim 500$

Szczegóły obliczeń strefy mieszkalnej (HZ) mogą być złożone, ale w zasadzie promień strefy mieszkalnej skaluje się jako pierwiastek kwadratowy jasności. Jeśli planety d i h nie znajdują się obecnie w strefie HZ, możemy zastosować je jako konserwatywną definicję granicy strefy HZ.

Na podstawie tego (i używając opublikowanych promieni orbitalnych planet) widzę, że jeśli jasność wzrośnie 9-krotnie, to żadna z planet bg nie znajduje się w HZ, jest większa niż wszystkie ich orbity. Trappist-1 miał jasność 9 razy większą, gdy miał mniej niż 27 milionów lat. Z drugiej strony, jeśli chcę przenieść HZ tuż poza orbitę planety e (i jednocześnie włączyć planetę H do HZ), to miałoby to miejsce, gdy Trappist-1 był w wieku 206 milionów lat. W ostatecznym rozrachunku z tego konkretnego modelu widać, że Trappist-1 może zanikać o kolejne dwa czynniki w miarę starzenia się. To się zmniejsza promień HZ współczynnik 1,41 i oznaczałoby, że g (i ewentualnie f) wypadnie poza HZ, podczas gdy d (i ewentualnie c) zostaną wprowadzone do HZ.

Należy jednak zauważyć, że: różne modele dają nieco inne wyniki, te loci są zależne od masy i masa nie jest znana, wywnioskowano z tych samych modeli przy użyciu oszacowania temperatury (co również jest niepewne). Tak więc, chociaż moje jakościowe wnioski na temat lokalizacji HZ w przeszłości są prawdopodobnie poprawne (chociaż szczegółowe liczby wiekowe zależą od modelu), przyszłe zachowanie HZ jest bardziej niepewne, ponieważ Trappist-1 może być nieco bardziej masywny niż zakładano i osiągnął już swoją minimalną jasność.

Ewolucja jasności Trappist-1, przy założeniu masy oraz modele Baraffe i in. (2015). Pozioma linia przerywana oznacza najlepsze oszacowanie jej aktualnej jasności, dla której mówi się, że np. Planety znajdują się w HZ. Jeśli cofniemy się w czasie, skrajnie prawa pionowa linia przerywana oznacza wiek, poniżej którego jasność wzrasta do punktu, w którym e staje się zbyt gorący, aby nadawał się do zamieszkania. Następnie, z tyłu, skrajnie lewa pionowa linia przerywana oznacza punkt, w którym wszystkie obecnie znane planety (bh) stają się niezdatne do zamieszkania. $0.08M_{\odot}$

Tak więc odpowiedź na twoje pytanie jest dość niepewna i zależy krytycznie od wieku Trappist-1 teraz i oczywiście, czy planety zawsze znajdowały się w promieniu orbity, są teraz . Jak widać z powyższego wykresu (zwróć uwagę na skalę logarytmiczną na osi x), wspomniana powyżej ewolucja jasności ma miejsce wcześnie. Gdyby Trappist-1 mógł mieć nawet 500 milionów lat, to życie na planecie e mogło być możliwe tylko przez 300 milionów lat. Jeśli jednak gwiazda jest nieco masywniejsza i ma 10 miliardów lat, życie ma 9,8 miliarda lat. $^{*}$

Jeśli mówimy o planecie f, to miała ona nieco więcej ( milionów lat) w strefie HZ, a planeta g nieco dłużej ( milionów lat) ponownie. Planeta h spędziłaby stosunkowo mało czasu (w przeszłości), mniej niż kilkaset milionów lat, wewnątrz HZ. $\sim +100$ $\sim +70$

$^{*}$ Abstrakt pracy odkrywczej Gillona i in. (2017) krótko omawia możliwość migracji planet do wewnątrz po formowaniu w procesie „migracji opartej na dyskach”. Jeśli tak, to nie zmieni powyższej dyskusji. Dysk wokół gwiazd o bardzo niskiej masie może być dłuższy niż w przypadku gwiazd o wyższej masie, ale zasadniczo rozproszył się po milionach lat ( Kennedy i Kenyon 2009 ; Dawson i in. 2013 ; Binks i Jeffries 2017 ), oraz konfiguracja planetarna musiałaby zostać ustalona tam, gdzie jest teraz, zanim dysk zniknie. $\sim 10-20$

— Rob Jeffries
źródło

Jeśli dobrze rozumiem, artykuł zakłada, że planety początkowo uformowały się dalej; za linię mrozu gwiazdy w tym czasie. Następnie migrowali do wewnątrz. To sprawia, że określenie, kiedy któraś z planet znajdowała się w tym czasie w HZ, jest znacznie trudniejsze. Chociaż nie zaznajomiłem się z ich artykułem i wynikami na tyle, aby wiedzieć, czy ich modele zawierają wystarczająco szczegółowe informacje na temat potencjalnej ewolucji systemu w przeszłości, aby pozwolić na dokonanie rozsądnych szacunków (w ramach ich modeli).

— zibadawa timmy

@zibadawatimmy Pozycjonowany mechanizm polega na migracji dyskowej do wewnątrz. Jeśli tak, to skoro czas życia dysku wokół gwiazd o niskiej masie wynosi <10 Myr, nie wpłynie to na żaden z wniosków.

— Rob Jeffries