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.

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.$\sim 10-20$