Evoluce atmosféry exoplanety TRAPPIST-1c

Jednou z nejnapínavějších hádanek, na které se snaží odpovědět dnešní astronomie, je existence atmosfér u vzdálených exoplanet. (délka blogu 4 min.) 

K dnešnímu dni už vědci objevili více než 5000 exoplanet. Některé jsou spíše podobné Zemi, jiné Jupiteru. Co se týká atmosféry, je samozřejmě nejzajímavější ta skupina planet, která má pevný povrch a tím se nejvíce podobá naší vlastní planetě. Mohla by na jedné ze vzdálených exoplanet existovat atmosféra, voda a tedy i život?

Vhodné planety 

Nejlepší podmínky pro studium atmosfér poskytují tzv. tranzitující planety. Během planetárního tranzitu zakryje planeta část své mateřské hvězdy, takže se jas hvězdy během tranzitu sníží. Tyto změny probíhají periodicky. 

Nejlepší příležitost ke studiu atmosfér bývá u tranzitujících planet, které obíhají kolem červených trpaslíků - malých hvězd s poměrně nízkou jasností a teplotou povrchu, vyzařujících maximum fotonů v načervenalé části elektromagnetického spektra. 

Přitom je největší hrozbou pro existenci atmosféry na kamenné planetě, obíhající červeného trpaslíka, paradoxně sama centrální hvězda. Tyto malé a poměrně chladné hvězdy jsou totiž zároveň velice aktivní. Pozorují se u nich nejen protuberance, tedy lokální výbuchy, jaké vídáme na Slunci, ale také tzv. záblesky - jevy, které je svou silou mnohokrát předčí. Ty pak během několika miliard roků mohou (minimálně na hvězdě hodně blízkých planetách) odstranit velkou část původní atmosféry exoplanety.

Co se týká průzkumu atmosféry, je pro vědce i laické publikum velice zajímavý systém, který dostal název TRAPPIST-1. Nachází se tu hned sedm exoplanet - a část z nich dokonce obíhá svou hvězdu uvnitř tzv. obyvatelné zóny. 

Všem těmto planetám se už věnuje nebo se bude v budoucnosti věnovat jeden z nejdokonalejších a nejvýkonnějších teleskopů - vesmírný teleskop Jamese Webba. 

Exoplaneta s parametry podobnými Venuši

Už první pozorování tranzitů v tomto systému ukázala, že nejvnitřnější planeta, TRAPPIST-1b, nemá hustou CO2 atmosféru. To se dalo čekat - a nebylo to tedy žádné velké překvapení.

Vědci se nedávno věnovali také exoplanetě TRAPPIST-1c, která od své hvězdy dostává díky své oběžné dráze a vzdálenosti zhruba tolik energie jako naše Venuše od Slunce. Pokud by si byly obě planety podobné, mohla by se na TRAPPIST-1c nacházet hustá atmosféra s vysokým podílem oxidu uhličitého, CO2. Průzkum ale bohužel v atmosféře této planety neprokázal žádné větší množství CO2. 

Následně se vědci snažili vypočítat, o jaké množství CO2 mohla planeta za dobu své existence teoreticky přijít díky působení centrální hvězdy nebo jiným faktorům. Ukázalo se, že jde o 16 barů CO2 - což je menší množství, než zůstalo na Venuši v atmosféře nebo se na Zemi chemicky navázalo do hornin (karbonátů). 

To znamená, že planeta buď neměla při svém vzniku k dispozici podobné množství CO2 jako měla Venuše a Země - nebo ztratila velké množství CO2 během některé rané fáze vývoje. 

To se mohlo stát následujícím způsobem. V atmosféře planet, které obíhají dostatečně blízko své hostitelské hvězdy, probíhá fotodisociace (rozklad působením záření) molekul H2O, na kterou navazuje intenzivní ztráta vodíku (tímto planeta přichází o své původní zásoby vody). K úniku pak dochází, když lehká složka atmosféry dosáhne dostatečně vysoké teploty - tedy její molekuly dosáhnout dostatečně vysoké rychlosti. Čím teplejší je plyn, tím jsou totiž jeho molekuly rychlejší. Během této intenzivní fáze je také možné, že planetu opustí spolu s vodíkem i těžší molekuly. Proto může dojít i ke ztrátě těžších plynů jako například CO2 a O2. 

Jakmile tato první fáze skončí, měly by zbývající atmosféře dominovat těžší molekuly (CO2 apod.) jako to vidíme na Venuši.

V průběhu dalších miliard roků se pak může CO2 pomalu ztrácet prostřednictvím jiných mechanismů, například díky působení hvězdného větru. 

Z provedených simulací vyplývá, že i když se na vnitřních planetách systému nenacházejí husté atmosféry, není vyloučeno, že se mohly uchovat na vzdálenějších planetách. 

Pokud se dá předpokládat, že (centrální hvězdě) vzdálenější planety měly na počátku své životní dráhy podobné vlastnosti jako zkoumaná planeta TRAPPIST-1c, mohly by mít vnější planety d, e, f, g a h dnes o něco méně než přibližně 9, 12, 15, 16 a 16 bar CO2.

To by znamenalo, že se v systému TRAPPIST-1 může nacházet 5 vnějších planet, které mají poměrně hustou atmosféru. S přihlédnutím k tomu, že některé ztrátové jevy nejsou u vzdálenějších planet moc intenzivní - by mohly dokonce vlastnit i ještě o něco efektnější atmosféry. Existují ovšem i různé způsoby, jak by naopak mohly planety o své atmosféry přijít. 

Jedno je ale jisté - další pozorování pomocí vesmírného teleskopu Jamese Webba se pokusí rozluštit hádanku existence a složení atmosfér těchto vzdálených planet. Můžeme se těšit na další zajímavé objevy. 

Zdroj:https://arxiv.org/pdf/2311.17699.pdf