Da quanto tempo i pianeti TRAPPIST-1 si trovano in una zona abitabile?

I pianeti in orbita attorno a TRAPPIST-1 sono in orbite attorno alla loro stella molto più vicini delle orbite attorno alla Terra. Tuttavia, poiché TRAPPIST-1 è una nana marrone fredda, alcuni dei pianeti si trovano in una "zona abitabile", dove la temperatura non sarebbe troppo estrema per la vita come la conosciamo.

Quello che mi chiedo è: da quanto tempo quei pianeti si trovano in una zona abitabile? La pagina di Wikipedia dice che TRAPPIST-1 è più vecchio di 1 Gyr. Ma quanto tempo è stato un bel nano marrone?

In altre parole, poiché l'abiogenesi della vita e l'evoluzione degli organismi viventi dipendono dal tempo, quanto tempo ha avuto la possibilità di svilupparsi nella zona abitabile della stella?

Per questa domanda, non sono preoccupato per la chimica o altre caratteristiche dei pianeti stessi.

Si stima che la luminosità di Trappist-1 sia $5.25\times 10^{-4}\ L_{\odot}$, ma non è sempre stato così.

La luminosità di una nana marrone diminuisce nel tempo e questa misura della luminosità (insieme al tipo spettrale) che consente una stima della massa e un limite inferiore all'età utilizzando modelli evolutivi stellari.

Se guardo il Baraffe et al. (2015) modelli evolutivi a bassa massa e osservano il luogo della luminosità rispetto al tempo per a$0.08\ M_{\odot}$ stella come Trappist-1, puoi vedere che l'attuale luminosità implica un'età di $\sim 500$milioni di anni. Ma se torni indietro nel tempo, la stella era più luminosa e per questo motivo, i pianeti che si trovano attualmente nella zona abitabile (si dice che fossero pianeti e, f, g) non erano così in passato.

I dettagli di un calcolo della zona abitabile (HZ) possono essere complessi, ma fondamentalmente il raggio della zona abitabile scala come la radice quadrata della luminosità. Se i pianeti d e h non sono attualmente nella HZ, allora possiamo usarli come una definizione conservativa del confine HZ.

Da questo (e usando i raggi orbitali dei pianeti pubblicati), posso vedere che se la luminosità è aumentata di un fattore 9, nessuno dei pianeti bg si trova nella HZ, è più grande di tutte le loro orbite. Trappist-1 aveva una luminosità che era 9 volte più grande quando aveva meno di 27 milioni di anni. D'altra parte, se voglio spostare la HZ appena fuori dall'orbita del pianeta e (e contemporaneamente includere il pianeta h all'interno della HZ), ciò accadrebbe quando Trappist-1 aveva un'età di 206 milioni di anni. Come ultimo pensiero, puoi vedere da questo particolare modello che Trappist-1 può sbiadire di un ulteriore fattore di due quando invecchia. Questo diminuisce il raggio HZ di un fattore di 1,41 e significherebbe che g (e possibilmente f) cadrebbe fuori dalla HZ, mentre d (e possibilmente c) verrebbe portato nella HZ.

Va notato tuttavia che: modelli diversi danno risultati leggermente diversi, questi loci dipendono dalla massa e la massa non è nota, viene dedotta dagli stessi modelli usando una stima della temperatura (che è anche incerta). Quindi, sebbene le mie conclusioni qualitative sulla posizione passata della HZ siano probabilmente corrette (anche se i numeri di età dettagliati dipendono dal modello), il comportamento futuro della HZ è più incerto perché Trappist-1 potrebbe essere leggermente più massiccio di quanto ipotizzato e ha già raggiunto la sua luminosità minima.

L'evoluzione della luminosità di Trappist-1, assumendo una massa di $0.08M_{\odot}$e i modelli di Baraffe et al. (2015). La linea tratteggiata orizzontale segna la migliore stima della sua attuale luminosità, per la quale si dice che i pianeti si trovino nella HZ. Se torniamo indietro nel tempo, la linea tratteggiata verticale più a destra segna l'età al di sotto della quale la luminosità aumenta al punto in cui e diventa troppo calda per essere abitabile. Quindi, più indietro, la linea tratteggiata verticale più a sinistra segna il punto in cui tutti i pianeti attualmente conosciuti (bh) diventano inabitabili.

Quindi la risposta alla tua domanda è abbastanza incerta e dipende in modo critico dall'età di Trappist-1 ora e, naturalmente, se i pianeti erano sempre ai raggi orbitali che sono ora$^{*}$. Come puoi vedere dalla trama sopra (nota la scala logaritmica sull'asse x), l'evoluzione della luminosità di cui sopra ha luogo all'inizio. Se Trappist-1 potesse avere appena 500 milioni di anni, la vita sul pianeta e potrebbe essere stata possibile solo per 300 milioni di anni. Tuttavia, se la stella è leggermente più massiccia e ha 10 miliardi di anni, allora la vita ha avuto 9,8 miliardi di anni per andare avanti.

Se stai parlando del pianeta f, allora ha avuto un po 'più a lungo ($\sim +100$ milioni di anni) all'interno della HZ e il pianeta g leggermente più lungo ($\sim +70$milioni di anni) di nuovo. Il pianeta h avrà trascorso relativamente poco tempo (in passato), meno di qualche centinaio di milioni di anni, all'interno della HZ.

$^{*}$L'estratto del documento di scoperta di Gillon et al. (2017) discute brevemente della possibilità che i pianeti migrassero verso l'interno dopo la formazione, attraverso un processo di "migrazione guidata dal disco". In tal caso, ciò non modificherà la discussione sopra. Il disco attorno a stelle di massa molto bassa può avere una vita più lunga di quelle attorno a stelle di massa superiore, ma si è sostanzialmente disperso dopo$\sim 10-20$milioni di anni ( Kennedy & Kenyon 2009 ; Dawson et al.2013 ; Binks & Jeffries 2017 ), e la configurazione planetaria dovrebbe essere sistemata dove è ora quando il disco è andato.