Các hành tinh TRAPPIST-1 đã ở trong vùng có thể ở được bao lâu?

Các hành tinh quay quanh TRAPPIST-1 nằm trong quỹ đạo quanh ngôi sao của chúng gần hơn so với quỹ đạo Trái đất Sol. Tuy nhiên, vì TRAPPIST-1 là một sao lùn nâu mát mẻ, một số hành tinh nằm trong "vùng có thể ở được", nơi nhiệt độ sẽ không quá khắc nghiệt đối với sự sống như chúng ta biết.

Điều tôi băn khoăn là, những hành tinh đó đã ở trong một khu dân cư được bao lâu rồi? Các trang wikipedia nói rằng Trappist-1 là lớn hơn 1 Gyr. Nhưng, bao nhiêu thời gian đó đã là một sao lùn nâu mát mẻ?

Nói cách khác, vì sự sinh sản của sự sống và sự tiến hóa của các sinh vật sống phụ thuộc vào thời gian, cuộc sống có bao nhiêu thời gian để có cơ hội phát triển trong vùng có thể ở của ngôi sao?

Đối với câu hỏi này, tôi không quan tâm đến hóa học hoặc các đặc điểm khác của bản thân các hành tinh.

Độ sáng của Trappist-1 được ước tính là , nhưng không phải lúc nào cũng như vậy.$5.25\times 10^{-4}\ L_{\odot}$

Độ chói của sao lùn nâu giảm dần theo thời gian và chính độ sáng này đo được (cùng với loại quang phổ) cho phép ước tính khối lượng và giới hạn thấp hơn theo tuổi sử dụng các mô hình tiến hóa sao.

Nếu tôi nhìn vào Baraffe et al. (2015) các mô hình tiến hóa khối lượng thấp và nhìn vào vị trí của độ sáng so với thời gian đối với một ngôi sao như Trappist-1, bạn có thể thấy rằng độ sáng hiện tại ngụ ý tuổi của triệu năm. Nhưng nếu bạn quay ngược thời gian, ngôi sao sáng hơn và vì lý do đó, các hành tinh hiện đang ở trong vùng có thể ở được (được gọi là các hành tinh e, f, g) trước đây không như vậy.$0.08\ M_{\odot}$$\sim 500$

Các chi tiết của tính toán vùng có thể ở được (HZ) có thể phức tạp, nhưng về cơ bản bán kính của vùng có thể ở quy mô là căn bậc hai của độ chói. Nếu các hành tinh d và h hiện không có trong HZ thì chúng ta có thể sử dụng chúng như một định nghĩa bảo thủ về ranh giới HZ.

Từ điều này (và sử dụng bán kính quỹ đạo được công bố của các hành tinh), tôi có thể thấy rằng nếu độ sáng tăng lên gấp 9 lần thì không có hành tinh nào bg ở trong HZ, nó lớn hơn tất cả các quỹ đạo của chúng. Trappist-1 có độ sáng lớn gấp 9 lần khi nó trẻ hơn 27 triệu tuổi. Mặt khác, nếu tôi muốn di chuyển HZ ngay bên ngoài quỹ đạo của hành tinh e (và đồng thời bao gồm hành tinh h bên trong HZ), thì điều này sẽ xảy ra khi Trappist-1 ở tuổi 206 triệu năm. Như một suy nghĩ cuối cùng, bạn có thể thấy từ mô hình cụ thể này rằng Trappist-1 có thể mờ dần theo yếu tố hai khi nó già đi. Điều này giảm bán kính HZ theo hệ số 1,41 và có nghĩa là g (và có thể f) sẽ nằm ngoài HZ, trong khi d (và có thể c) sẽ được đưa vào HZ.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng: các mô hình khác nhau cho kết quả hơi khác nhau, các vị trí này phụ thuộc vào khối lượng và khối lượng không được biết đến, nó được suy ra từ cùng một mô hình sử dụng ước tính nhiệt độ (cũng không chắc chắn). Vì vậy, trong khi các kết luận định tính của tôi về vị trí trong quá khứ của HZ có thể đúng (mặc dù số tuổi chi tiết phụ thuộc vào mô hình), hành vi trong tương lai của HZ không chắc chắn hơn vì Trappist-1 có thể lớn hơn một chút so với giả định và đã đạt đến độ sáng tối thiểu của nó.

Sự phát triển độ sáng của Trappist-1, giả sử khối lượng và các mô hình của Baraffe et al. (2015). Đường đứt nét ngang đánh dấu ước tính tốt nhất về độ sáng hiện tại của nó, trong đó các hành tinh, ví dụ như được cho là trong HZ. Nếu chúng ta quay ngược thời gian, đường đứt nét thẳng đứng ngoài cùng bên phải đánh dấu độ tuổi mà độ sáng tăng lên đến mức mà e trở nên quá nóng để có thể ở được. Sau đó quay trở lại, đường đứt nét thẳng đứng ngoài cùng bên trái đánh dấu điểm mà tất cả các hành tinh hiện tại (bh) trở nên không thể ở được.$0.08M_{\odot}$

Vì vậy, câu trả lời cho câu hỏi của bạn khá không chắc chắn và phụ thuộc rất nhiều vào độ tuổi của Trappist-1 bây giờ và tất nhiên liệu các hành tinh có luôn ở bán kính quỹ đạo hay không bây giờ . Như bạn có thể thấy từ âm mưu trên (lưu ý thang đo logarit trên trục x), quá trình tiến hóa độ sáng được đề cập ở trên diễn ra sớm. Nếu Trappist-1 có thể trẻ đến 500 triệu năm, thì sự sống trên hành tinh e chỉ có thể có được trong 300 triệu năm. Tuy nhiên, nếu ngôi sao này nặng hơn một chút và 10 tỷ năm tuổi, thì cuộc sống đã có 9,8 tỷ năm để đi.$^{*}$

Nếu bạn đang nói về hành tinh f, thì nó đã có một chút lâu hơn ( triệu năm) bên trong HZ và hành tinh g dài hơn một chút ( triệu năm) một lần nữa. Hành tinh h sẽ có thời gian tương đối ít (trong quá khứ), chưa đến vài trăm triệu năm, bên trong HZ.$\sim +100$$\sim +70$

$^{*}$ Bản tóm tắt của bài viết khám phá của Gillon et al. (2017) thảo luận ngắn gọn về khả năng các hành tinh di chuyển vào bên trong sau khi hình thành, thông qua một quá trình "di chuyển theo hướng đĩa". Nếu vậy, điều này sẽ không thay đổi các cuộc thảo luận ở trên. Đĩa quanh các ngôi sao có khối lượng rất thấp có thể tồn tại lâu hơn so với những ngôi sao có khối lượng lớn hơn, nhưng về cơ bản đã phân tán sau triệu năm ( Kennedy & Kenyon 2009 ; Dawson et al. 2013 ; Binks & Jeffries 2017 ), và cấu hình hành tinh sẽ phải được giải quyết ngay bây giờ khi đĩa đã biến mất.$\sim 10-20$